Qu’est-ce que la matière noire?

Un concept surtout développé dans les années 1970, la matière noire connaît un regain d’intérêt tant dans le milieu scientifique que dans la culture populaire. On peut entre autres attribuer cette recrudescence à l’apparition de nouvelles technologies telles que le télescope spatial James Webb! Mais savez-vous ce que c’est, cette fameuse matière noire? On vous l’explique ici en plus de vous offrir un coup d'œil à quelque chose d’encore plus bizarre: l’énergie sombre! 

La matière noire, faite (probablement) de particules particulières

L’univers est composé de trois principaux éléments: la matière noire, l’énergie sombre et la matière « normale ». Aussi appelée matière baryonique, la matière dite « normale » est tout ce qui est fait de protons, de neutrons et d’électrons. En mettant ensemble les protons, les neutrons et les électrons, on obtient un atome! Les atomes sont les particules qui servent de blocs de construction à la matière normale.

Et la matière noire? Difficile à dire, mais contrairement à la matière normale, elle n'est presque assurément pas faite d’atomes. Les chercheurs sont encore en mode spéculation quand vient le temps de dire exactement de quoi est faite la matière noire, mais ils ont une liste de candidats potentiels. 

La matière noire, un ensemble de neutralinos, axions et photinos?

Trois sortes de particules sont actuellement soupçonnées de composer la matière noire: les neutralinos, les axions et les photinos. Les neutralinos sont un type de gros neutrinos, soit des particules électriquement neutres et de très petite masse. Les axions sont aussi des particules électriquement neutres, mais ils sont vraiment plus petits que les neutralinos - mille milliards de fois plus petits! Enfin, les photinos, eux, sont plutôt le “contraire” des photons (les particules de la lumière).

Par contre, les neutralinos, les axions et les photinos sont pour l'instant seulement des particules hypothétiques - on a donc peu d’information à leur sujet. Leur existence est prédite par des modèles mathématiques, mais elle reste à être prouvée par des données concrètes. Toutes les trois seraient issues de phénomènes extrêmes dans le cosmos, allant du Big Bang aux trous noirs, en passant par les réactions nucléaires des étoiles. 

L’observation de matière noire est impossible, car… elle est invisible, d’où son nom! Elle n’interagit pas avec la lumière et n’en émet pas, ce qui la rend difficile à étudier. Alors, comment sait-on qu’elle existe? Même si on ne peut pas l’observer directement, elle influence la façon dont la gravité se comporte autour d’elle, phénomène que l’on peut mesurer! Par exemple, notre galaxie, la Voie lactée, a une forme un peu tordue qui, selon une étude récente, serait peut-être causée par la présence massive de matière noire!

Plus fascinant encore, le télescope spatial James Webb aurait récemment détecté de potentielles « étoiles noires » dans l’espace. Ce serait des étoiles qui carburent avec des collisions de particules de matière noire au lieu de la fusion nucléaire!

L’énergie sombre, une autre grande méconnue

Si un début d’explication commence à se dessiner au sujet de la matière noire, on en est encore loin dans le cas de l’énergie sombre! Elle est encore plus étrange et difficile à comprendre, malgré le fait qu’elle constituerait entre 68% et 72% de tout l’univers. Son existence a été suggérée après que le domaine de la recherche eut constaté que l’univers est en expansion de plus en plus rapide. Elle agirait comme un genre de force « anti-gravité » qui étire l’espace-temps de façon exponentielle. 

L’énergie sombre pourrait être une propriété inconnue du cosmos et de la gravité, mais elle pourrait aussi être composée de tachyons - des particules hypothétiques allant plus vite que la lumière. Pour l’instant, nos connaissances s’arrêtent là, mais avec l’avènement de nouvelles technologies, comme le télescope spatial James Webb, notre compréhension du cosmos promet de continuer à grandir dans les prochaines années!

Le saviez-vous? Une section du Centre des sciences est consacrée à l'exploration spatiale. Vous pouvez même y toucher une vraie roche lunaire!

Sources

Falk, D. (2020). Is Dark Matter Made of Axions? Scientific American. https://www.scientificamerican.com/article/is-dark-matter-made-of-axions/ 

Gupta, R. P. (2023). JWST early Universe observations and ΛCDM cosmology. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 524(3), 3385‑3395. https://doi.org/10.1093/mnras/stad2032 

Harris, W., & Freudenrich, C. (2023). How Dark Matter Works. HowStuffWorks. https://science.howstuffworks.com/dictionary/astronomy-terms/dark-matter.htm 

ICI.Radio-Canada.ca, Z. S.-. (2023). Des neutrinos provenant du centre de la Voie lactée détectés pour la première fois. Radio-Canada.ca.  https://ici.radio-canada.ca/nouvelle/1995371/neutrinos-voie-lactee-icecube 

NASA. (s. d.). Dark Energy, Dark Matter | Science Mission Directorate. https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy 

published, R. L. (2018). Physicists Keep Trying—And Failing—To Find Dark Matter in Dark Places. Space.Com. https://www.space.com/42693-dark-matter-search-failed.html 

Taylor Tillman, N. (2022). What is Dark Matter? Space.Com. https://www.space.com/20930-dark-matter.html 

Universe Today. (2023). The Milky Way’s disk is warped. Is that because its dark matter halo is tilted? PhysOrg. https://phys.org/news/2023-09-milky-disk-warped-dark-halo.html