Ce qu'on ne voit pas

Un bilan à 5 %

Tout ce que ce livre a suivi jusqu'ici est fait de la même étoffe. L'hydrogène et l'hélium des premières minutes, les atomes neutres de la première lumière, le gaz des âges sombres, les étoiles, l'oxygène, l'or, le Soleil : autant d'assemblages de protons, de neutrons et d'électrons. Les cosmologistes appellent cette matière « ordinaire », ou « baryonique », d'après le nom de la famille de particules à laquelle appartiennent les protons et les neutrons¹. Dans le modèle standard de la cosmologie, elle ne représente qu'environ 5 % du contenu de l'Univers. La matière noire en représente 26,8 %, et l'énergie noire 68,2 % : ce sont les valeurs publiées par la mission Planck en 2013 wiki-dm. Les tables finales de 2018, une fois converties en pourcentages, donnent environ 4,9 % de matière ordinaire, 26,4 % de matière noire et 68,5 % d'énergie noire planck2018tab². Le chiffre de « 27 % » qu'on lit souvent pour la matière noire est un arrondi entre ces deux analyses. Tout ce que le livre a raconté depuis la fin du seuil tient donc dans un vingtième du total.

Le modèle standard porte ces deux inconnues dans son nom. ΛCDM se lit « lambda CDM » : Λ désigne la constante cosmologique, la forme la plus simple d'énergie noire, et CDM l'abréviation anglaise de « matière noire froide » (→ chap. 7)³. Les deux termes n'ont en commun que l'adjectif. La matière noire est de la matière : elle attire et se rassemble sous l'effet de sa propre gravité, et elle pèse à peu près cinq fois plus que la matière ordinaire, soit environ 85 % de toute la matière wiki-dm. L'énergie noire n'est pas de la matière. C'est le nom donné à ce qui accélère l'expansion wiki-dm, et le chapitre suivant lui est consacré (→ chap. 22). Il ne sera question ici que de la première.

Trois précautions encadrent ces pourcentages. La première tient au moment : ils valent aujourd'hui. Au fil de l'expansion, la matière se dilue, parce que la même quantité occupe un volume toujours plus grand ; l'énergie noire, elle, ne se dilue pas wiki-de. Les parts relatives changent donc avec le temps. L'énergie noire ne l'emporte sur la matière que depuis un peu moins de dix milliards d'années après le Big Bang wiki-chrono, ce qui veut dire qu'il y a dix milliards d'années la matière dominait le contenu de l'Univers (→ chap. 20). Les 68 % d'énergie noire ne s'appliquent pas au passé que ce livre a raconté.

La deuxième précaution tient à la méthode. Aucun de ces trois nombres n'est mesuré séparément, comme on pèserait trois sacs sur une balance. Ils sortent d'un ajustement de l'ensemble du modèle ΛCDM aux données du fond diffus cosmologique, complétées par d'autres mesures planck2018tab. Le chapitre sur l'âge de l'Univers a montré comment se construit ce calcul, étage par étage, et ce qu'il suppose (→ chap. 7). Les densités de matière ordinaire et de matière noire sont les grandeurs les plus directement lues sur la carte du fond diffus ; la part d'énergie noire est obtenue par différence (→ chap. 7). Si le modèle était faux, les pourcentages le seraient aussi.

La troisième précaution tient au mot. « Noire » ne veut pas dire sombre au sens d'un nuage opaque qui cacherait ce qui se trouve derrière lui. Un tel nuage absorbe la lumière, donc interagit avec elle. La matière noire, elle, n'interagit pas avec la lumière : elle n'en émet pas, n'en absorbe pas, n'en diffuse pas wiki-dm⁴. Elle est transparente plutôt qu'obscure, et invisible à tous les instruments qui recueillent de la lumière, de la radio aux rayons gamma. Le seul moyen de la détecter qui ait réussi jusqu'ici est sa gravité. Toute l'histoire qui suit est donc celle d'une masse déduite de ses effets sur ce qu'on voit.

Des galaxies trop agitées, des galaxies qui tournent trop vite

La première pesée date de 1933. L'astronome suisse Fritz Zwicky étudie l'amas de Coma, un rassemblement de plusieurs centaines de galaxies liées par leur gravité mutuelle⁵. Il lui applique le théorème du viriel wiki-dm. Ce théorème relie, dans un système stable, l'agitation de ses membres à la gravité qui les retient. Un amas qui ne se disperse pas et ne s'effondre pas est en équilibre : ses galaxies vont assez vite pour ne pas tomber toutes au centre, et pas assez pour s'échapper. Plus la masse de l'amas est grande, plus elle peut retenir des galaxies rapides. Mesurer la dispersion des vitesses des galaxies donne donc la masse totale nécessaire pour les retenir⁶.

Le résultat de Zwicky ne cadre pas avec ce qu'on voit. Les galaxies de Coma s'agitent trop vite pour que la seule matière lumineuse de l'amas puisse les retenir wiki-dm. Il faut, pour que l'amas tienne, une masse qu'on ne voit pas. Zwicky lui donne un nom en allemand : dunkle Materie, matière sombre wiki-dm. L'expression a traversé le siècle. La base de ce livre ne dit ni quel facteur Zwicky trouvait entre la masse nécessaire et la masse visible, ni comment son résultat a été reçu⁷.

Le deuxième indice vient de l'intérieur des galaxies, et il est d'une autre nature. Dans les années 1970, l'astronome américaine Vera Rubin et son collègue Kent Ford mesurent, avec un spectrographe nouveau, la vitesse des étoiles et du gaz dans des galaxies spirales vues par la tranche wiki-dm. Une galaxie vue ainsi présente un bord qui s'approche de nous et un bord qui s'éloigne ; le décalage des raies de son spectre, vers le bleu d'un côté et vers le rouge de l'autre, donne la vitesse de rotation à chaque distance du centre⁸. On obtient ainsi une « courbe de rotation » : la vitesse en fonction de la distance au centre.

Ce qu'on attendait de ces courbes suit des lois connues depuis le XVIIe siècle. Selon les lois de Kepler, un corps en orbite autour d'une masse concentrée tourne d'autant plus lentement qu'il en est loin, comme les planètes lointaines du Système solaire tournent plus lentement que les proches wiki-dm⁹. Dans une galaxie spirale, la lumière se concentre vers le centre et s'éteint vers le bord du disque. Si la masse suivait la lumière, la vitesse devrait donc décroître au-delà de la région où se trouvent la plupart des étoiles.

Elle ne décroît pas. Loin du centre, là où il n'y a presque plus d'étoiles, la vitesse reste à peu près constante : les courbes sont « plates » wiki-dm. En 1980, Rubin, Ford et Norbert Thonnard publient les courbes de 21 galaxies spirales, des plus petites aux plus grandes : la plus petite, NGC 4605, a un rayon de 4 kiloparsecs, la plus grande, UGC 2885, de 122 kiloparsecs, soit environ 13 000 et 400 000 années-lumière Rubin 1980¹⁰. Aucune ne montre de courbe descendante. La plupart montent même encore au point le plus éloigné qu'on a pu mesurer Rubin 1980. Ce résultat n'a été lu, pour ce livre, que dans un résumé ; il n'a pas été vérifié sur la publication¹¹.

Une courbe plate se traduit directement en masse. Pour un corps en orbite circulaire, le carré de la vitesse est proportionnel à la masse contenue à l'intérieur de l'orbite, divisée par le rayon de l'orbite. Si la vitesse reste la même quand le rayon double, la masse intérieure doit doubler aussi¹². Loin du centre, là où la lumière s'éteint, la masse continue donc de croître, à peu près en proportion de la distance. Il faut une masse invisible qui s'étend bien au-delà du disque visible et l'enveloppe : un halo wiki-dm. Chaque galaxie spirale se trouve ainsi plongée dans une concentration de masse plus vaste qu'elle, dont elle n'est que la partie lumineuse.

Les deux pesées, celle de Zwicky et celle de Rubin et Ford, reposent sur le même principe : on mesure des mouvements et l'on en déduit, par la loi de la gravitation, la masse qui les gouverne. Elles reposent aussi sur la même hypothèse, que cette loi s'applique telle quelle à l'échelle des galaxies et des amas. Deux explications restent donc ouvertes à ce stade : ou bien une masse invisible existe, ou bien la loi de la gravitation change de forme à ces échelles. Les pesées suivantes départagent ces deux explications.

Peser la lumière déviée : l'amas du Boulet

Une masse courbe la trajectoire de la lumière qui passe près d'elle. Un amas de galaxies agit ainsi comme une loupe imparfaite sur les galaxies situées loin derrière lui : leurs images sont déformées, étirées, parfois dédoublées. Ce phénomène porte le nom de lentille gravitationnelle, et mesurer ces déformations pèse la masse totale de l'amas, qu'elle brille ou non Clowe 2006¹³. La méthode a un avantage sur les deux précédentes. Elle ne suppose rien des mouvements du système, ni qu'il soit en équilibre : elle mesure la masse par son seul effet sur la lumière qui la traverse, et donne sa répartition dans le ciel.

L'amas du Boulet est le cas où cette méthode a été la plus parlante. Il s'agit de deux amas de galaxies qui sont entrés en collision. Dans un amas, l'essentiel de la matière ordinaire n'est pas dans les étoiles des galaxies, mais dans un gaz très chaud qui remplit l'espace entre elles Clowe 2006¹⁴. Pendant la collision, les deux nuages de gaz se sont heurtés et ont été freinés, comme deux jets d'eau qui se croisent. La masse mesurée par lentille, elle, est passée au travers, sans être ralentie Clowe 2006. Au moment où nous l'observons, la collision a donc séparé les deux composantes. Le gaz, qui porte l'essentiel de la matière ordinaire, est resté en arrière, au milieu. La masse est allée plus loin, de part et d'autre.

Douglas Clowe et ses coauteurs publient cette mesure en 2006 sous un titre qui ne ménage pas la nuance : « Une preuve empirique directe de l'existence de la matière noire ». Le centre de la masse totale est décalé du centre de la matière ordinaire, avec une significativité de 8σ Clowe 2006. La lettre σ, sigma, désigne un écart-type : un décalage de 8σ vaut huit fois l'incertitude de la mesure, bien au-delà du seuil de 5σ qu'on exige d'ordinaire pour une découverte¹⁵. Selon les auteurs, ce décalage « ne peut être expliqué par une modification de la loi de la gravitation », et il prouve que la majorité de la matière du système est invisible Clowe 2006.

L'argument contre une gravité modifiée tient au lieu où l'on trouve la masse. Si l'on changeait la loi de la gravitation sans ajouter de matière, la seule source de gravité resterait la matière ordinaire, et la déviation de la lumière la plus forte se trouverait là où cette matière est la plus abondante, c'est-à-dire dans le gaz. Une loi différente pourrait renforcer ou affaiblir la déviation, pas la déplacer vers une région presque vide de matière visible. Or c'est ce qu'on observe : l'essentiel de la masse se trouve là où il n'y a presque rien à voir¹⁶. La collision a fait ce qu'aucune galaxie isolée ne permet de faire : séparer physiquement la masse invisible de la matière ordinaire.

Elle en dit aussi quelque chose sur la nature de cette masse. La matière noire de chacun des deux amas a traversé celle de l'autre sans se freiner. Les particules qui la composent, quelles qu'elles soient, se heurtent donc très peu entre elles, et très peu avec le gaz. Elles se comportent comme une population de corps qui ne sentent que la gravité¹⁷.

Zwicky avait pesé des amas par leurs mouvements, Rubin et Ford des galaxies par leur rotation, Clowe et ses collègues un amas en collision par la lumière déviée. Aucune de ces trois pesées ne dit encore de quoi est faite la masse invisible. On pourrait imaginer des atomes qui ne brillent pas : du gaz trop froid pour émettre, des étoiles éteintes, des planètes errantes. Il faut, pour écarter cette possibilité, une pesée d'un autre genre, qui compte les atomes eux-mêmes.

Pas des atomes cachés

Cette pesée a eu lieu pendant les premières minutes. Tout atome existant aujourd'hui, qu'il appartienne à une étoile, à une planète, à un nuage froid ou à une étoile morte, était au départ fait de protons et de neutrons. Entre environ trois et vingt minutes après le début, ces protons et ces neutrons ont pris part à la fabrication des premiers noyaux (→ chap. 5). Quoi qu'ils soient devenus ensuite, ils y ont laissé une trace comptable.

Cette fabrication, la nucléosynthèse primordiale, ne dépend dans le modèle standard que d'un seul paramètre : le rapport entre le nombre de baryons et le nombre de photons, noté η Fields 2020. Or ce rapport, le fond diffus le mesure indépendamment, par une physique toute différente. Planck donne η = (6,104 ± 0,058) × 10⁻¹⁰ Fields 2020. Avec cette valeur, la nucléosynthèse devient, selon Brian Fields et ses coauteurs, « essentiellement une théorie sans paramètre » : on ne peut plus rien y régler, il ne reste qu'à comparer ses prédictions aux mesures Fields 2020.

Le deutérium est la mesure la plus fine. Ce noyau d'hydrogène lourd, fait d'un proton et d'un neutron, est un reste de la nucléosynthèse, et sa quantité est très sensible à la densité de baryons ; c'est pourquoi on le présente comme le « baryomètre » de l'Univers Fields 2020¹⁸. Avec le η de Planck, la nucléosynthèse prédit un rapport entre deutérium et hydrogène de 2,559 × 10⁻⁵. Mesuré dans des nuages de gaz lointains éclairés par des quasars, ce rapport vaut (2,55 ± 0,03) × 10⁻⁵ en moyenne sur onze mesures Fields 2020. Les deux valeurs s'accordent à mieux qu'un pour cent. Une physique nucléaire qui opère pendant les premières minutes et une physique acoustique qui opère jusqu'à 380 000 ans comptent la même quantité de matière ordinaire (→ chap. 6).

Cette quantité est celle des 4,9 % de Planck. La matière totale, elle, pèse environ 31 % du contenu de l'Univers planck2018tab. Si la masse manquante était faite d'atomes, elle aurait été faite de protons et de neutrons pendant les premières minutes, et il y aurait eu environ six fois et demie plus de baryons que Planck n'en compte¹⁹. Le deutérium prédit, calculé avec cette densité-là, ne tomberait plus sur la valeur mesurée. La base de ce livre ne chiffre pas de combien il s'en écarterait. Elle établit en revanche que le deutérium mesuré ne laisse de place qu'à la densité de baryons de Planck, à un pour cent près, et qu'il contraint désormais très fortement toute modification de la nucléosynthèse Fields 2020Ganguly 2026. Il n'y a pas assez de baryons pour faire la matière noire.

Un seul désaccord subsiste dans ce tableau, et il ne touche pas l'argument. Le lithium 7 mesuré dans les vieilles étoiles est environ trois fois moins abondant que prévu Fields 2020. Mais corriger ce désaccord en changeant η désaccorderait le deutérium et l'hélium fields2014pdg, et aucune piste sérieuse n'y cherche un surplus de baryons (→ chap. 5).

La deuxième pesée des atomes est indépendante de la première et se lit sur la carte du fond diffus. Avant 380 000 ans, la matière ordinaire était un plasma d'électrons libres et de noyaux, lié aux photons par les chocs incessants entre électrons et lumière. Ce fluide oscillait : la gravité le comprimait, la pression de la lumière le repoussait, et ces ondes sonores se sont figées dans la carte (→ chap. 6)wiki-cmb. La matière noire, elle, ne participait pas à ces oscillations, puisqu'elle n'interagit pas avec la lumière ; elle ne faisait que creuser les puits de gravité dans lesquels le fluide oscillait (→ chap. 6). Le fond diffus distingue ainsi les deux sortes de matière par la propriété même qui définit la matière noire : l'une était couplée à la lumière, l'autre non.

Les pics du spectre de puissance, qui mesure l'amplitude des taches de la carte selon leur taille, enregistrent cette différence. Le rapport entre le premier et le deuxième pic renseigne sur la densité de baryons ; le troisième, sur la densité de matière noire wiki-cmb. Le modèle ajusté à la carte compte donc deux paramètres de densité distincts, et Planck les mesure tous les deux : Ωb h² = 0,02237 ± 0,00015 pour les baryons, Ωc h² = 0,1200 ± 0,0012 pour la matière noire froide planck2018tab. Ces « densités physiques » sont proportionnelles aux densités réelles des deux composantes²⁰. Leur rapport vaut environ 5,4 : la matière noire pèse un peu plus de cinq fois la matière ordinaire, et fait environ 84 % de la matière totale, la valeur de 85 % couramment citée wiki-dm²¹. Chacune des deux densités est connue à un pour cent près. Il est exclu qu'elles soient la même chose.

Les deux arguments, celui des premières minutes et celui de 380 000 ans, se renforcent. Le premier compte les baryons, et en trouve trop peu pour faire la masse manquante. Le second distingue, dans la matière de l'époque, une part qui oscillait avec la lumière et une part cinq fois plus lourde qui ne le faisait pas. La matière noire n'est donc ni un gaz trop froid pour briller, ni des étoiles éteintes, ni des planètes errantes, ni aucune autre forme d'atomes cachés planck2018tabFields 2020. Elle est d'une autre nature que tout ce dont sont faits les étoiles et nous-mêmes. Le mot savant est « non baryonique » : elle n'est pas faite de protons et de neutrons.

Un contrôle inattendu vient de l'amas du Boulet lui-même. Si l'un des deux amas avait été fait d'antimatière, la collision aurait produit des rayons gamma d'annihilation ; on n'en voit pas, ce qui limite la fraction d'antimatière du système à moins de trois millionièmes Canetti 2012. La masse qui a traversé la collision sans se freiner n'est donc pas non plus un reflet d'antimatière de la matière ordinaire²².

Elle était déjà là

Ce qu'on vient d'établir oblige à relire l'histoire que ce livre a déjà racontée. La matière noire n'est pas apparue avec les galaxies qu'on a pesées : elle était présente dans chacun des épisodes précédents, et elle y tenait déjà le premier rôle gravitationnel.

Avant 380 000 ans, dans le plasma qui deviendra le fond diffus, la gravité qui comprime les surdensités est dominée par la matière noire wiki-cmb(→ chap. 6). Son rapport à la matière ordinaire était alors le même qu'aujourd'hui, un peu plus de cinq, parce que les deux se diluent de la même manière avec l'expansion²³. C'est elle qui fournissait l'essentiel du ressort des ondes sonores, et c'est pourquoi le troisième pic du fond diffus en porte la marque wiki-cmb. La plus vieille lumière de l'Univers est aussi, à ce titre, la plus ancienne pesée de la matière noire.

Après la recombinaison, la matière ordinaire perd son lien avec la lumière. Les électrons se sont attachés aux noyaux, la pression des photons n'a plus de prise sur le gaz, et celui-ci cesse d'osciller pour tomber dans les puits que la matière noire a continué de creuser pendant ce temps (→ chap. 8)²⁴. Les âges sombres, décrits comme l'époque où rien ne brille, sont aussi celle où la matière ordinaire rattrape son retard sur une matière qui n'avait jamais cessé de se rassembler. Les ondes figées de cette époque ont laissé une autre empreinte, dans la répartition des galaxies elles-mêmes : en 2005, Daniel Eisenstein et ses coauteurs détectent dans la répartition de 46 748 galaxies une distance privilégiée d'environ 100 h⁻¹ mégaparsecs, conforme à la trace prévue des oscillations acoustiques Eisenstein 2005(→ chap. 8).

Au bout de la nuit, la matière noire s'est rassemblée en halos, les mêmes concentrations que Rubin et Ford devinaient autour des galaxies spirales. Le gaz ordinaire tombé dans ces halos y forme un réservoir, et ce réservoir fixe une limite. Selon Michael Boylan-Kolchin, « la masse d'étoiles d'une galaxie est limitée par le réservoir de matière ordinaire disponible dans son halo de matière noire » Boylankolchin 2023. Comme la matière ordinaire pèse environ un sixième de la matière totale, un halo contient au plus environ 16 % de sa masse sous forme de gaz capable de faire des étoiles (→ chap. 10)²⁵. Combiné au nombre de halos de chaque masse que le modèle prévoit à chaque époque, ce réservoir donne un plafond à la masse d'étoiles qu'on peut trouver dans l'Univers à un moment donné.

Les premiers candidats galaxies du télescope Webb, en 2022, se situaient « à la limite même » de ce plafond Boylankolchin 2023. Le chapitre consacré à ces galaxies a montré ce que cette situation mettait en jeu : une erreur de mesure, une formation d'étoiles plus efficace que prévu, ou une faille du modèle cosmologique lui-même (→ chap. 10). Depuis, la spectroscopie a écarté beaucoup des candidats les plus massifs, et la plupart des explications proposées restent dans le modèle standard (→ chap. 10)²⁶. Mais la question elle-même montre la place de la matière noire dans le raisonnement : pour décider si une galaxie est « trop tôt », on compte d'abord les halos de matière noire qui pouvaient l'accueillir.

Chaque galaxie de ce livre, de MoM-z14 à la Voie lactée, s'est donc formée au fond d'un puits creusé par une matière qu'on ne voit pas. Le gaz y est tombé, s'y est refroidi, y a fait des étoiles ; les étoiles y ont forgé les éléments lourds ; le Soleil est né de ce gaz recyclé (→ chap. 15). La matière noire n'a participé à aucune de ces transformations, puisqu'elle ne sent que la gravité. Elle en a fourni le cadre : l'invisible a servi d'échafaudage à tout ce qui brille, depuis les ondes du plasma primordial jusqu'aux halos des galaxies.

Ce qu'elle pourrait être, et ce qu'on n'a pas trouvé

On sait combien pèse la matière noire, où elle se trouve, et quelques-unes de ses propriétés : elle n'interagit pas avec la lumière, ses particules se heurtent très peu, elle n'est pas faite de baryons. On ne sait pas ce qu'elle est.

Une première classification porte sur la vitesse de ses particules. On distingue une matière noire « froide », « tiède » ou « chaude », selon que ses particules se déplacent lentement ou à une vitesse proche de celle de la lumière, et les modèles récents favorisent la matière noire froide wiki-dm. C'est l'hypothèse inscrite dans le nom du modèle standard, le CDM de ΛCDM. La base de ce livre ne détaille pas les raisons de cette préférence²⁷.

On connaît une matière noire chaude, et une seule : les neutrinos. Ces particules existent, n'interagissent pas avec la lumière, et traversent la matière presque sans la toucher ; elles sont si légères qu'elles filent à une vitesse proche de celle de la lumière wiki-dm²⁸. Mais elles pèsent beaucoup trop peu pour faire la masse manquante. Le relevé de galaxies DESI borne la somme des masses des trois espèces de neutrinos à moins de 0,064 électronvolt, dans le cadre du modèle ΛCDM Desi 2025. L'électronvolt est ici une unité de masse ; l'électron, déjà très léger, en pèse environ 511 000²⁹. Les neutrinos sont bien une matière noire, mais une part infime de la matière noire.

Les candidats sérieux sont donc des particules ou des objets qu'on n'a jamais observés. Ils se répartissent en trois grandes familles : les WIMP, sigle anglais de « particules massives interagissant faiblement », les axions, particules hypothétiques très légères, et les trous noirs primordiaux wiki-dm³⁰. Aucune de ces trois familles n'a été détectée wiki-dm. S'y ajoutent des propositions plus ciblées, comme celle qui ajoute au modèle standard trois neutrinos dits « stériles », plus lourds que les neutrinos connus, pour expliquer à la fois les oscillations des neutrinos, la matière noire et l'excès de matière sur l'antimatière Canetti 2012.

Les WIMP ont été la piste la plus poursuivie, et les résultats nuls s'y accumulent. Les recherches directes, qui guettent le choc d'une particule de matière noire sur un noyau atomique dans un détecteur protégé du reste du rayonnement, n'ont rien trouvé dans les gammes de masse standard wiki-dm³¹. Le résultat le plus récent de la base vient de l'expérience LZ, une cuve de xénon liquide installée sous terre. Annoncé en décembre 2025, il porte sur 417 jours de données prises entre mars 2023 et avril 2025 : l'analyse n'a trouvé « aucun signe de WIMP » Lz 2025. Les limites qui en découlent sont les meilleures au monde pour les particules de plus de 5 GeV/c², soit à peu près cinq fois la masse d'un proton, et elles « resserrent encore » les possibilités de ce que la matière noire pourrait être Lz 2025³². Un résultat nul de ce genre ne réfute pas les WIMP en général. Il exclut une région de plus dans l'espace des masses et des probabilités d'interaction où ils pouvaient se trouver.

Reste l'autre branche de l'alternative ouverte par Zwicky et Rubin : modifier la loi de la gravitation plutôt qu'ajouter de la matière. Les théories de ce type, dont la plus connue porte le nom de MOND (pour « dynamique newtonienne modifiée »), rendent bien compte des courbes de rotation des galaxies wiki-dm. Mais elles ne décrivent pas toutes les observations à la fois wiki-dm, et l'amas du Boulet est l'objection la plus citée : une loi modifiée placerait la masse avec le gaz, et on la trouve ailleurs Clowe 2006. MOND reste une position minoritaire, défendue par des chercheurs qui publient dans les revues du domaine, et non une hérésie³³. La base ne documente pas ce que ces théories prévoient pour le fond diffus.

L'état de la question se résume en deux énoncés de statut différent. L'existence d'une masse invisible est établie, par des méthodes indépendantes qui vont de la galaxie isolée à l'Univers entier : mouvements des amas, rotation des galaxies, lentilles, abondances des premières minutes, pics du fond diffus. Sa nature est inconnue. Et cette ignorance n'est pas seulement une lacune de l'astronomie. Aucune particule du modèle standard de la physique des particules ne convient. La matière noire compte ainsi, avec l'excès de matière sur l'antimatière et les oscillations des neutrinos, parmi les trois indices expérimentaux d'une physique au-delà de ce modèle Canetti 2012(→ chap. 4). Le livre s'était ouvert sur une limite de la physique connue, le seuil d'avant l'inflation (→ chap. 2). La matière noire en est une autre, et elle occupe l'Univers présent.

Il manque encore 68 %

Même une fois la matière noire comptée, le bilan ne boucle pas. Le premier pic du fond diffus mesure la courbure de l'espace : la physique du plasma fixe la taille réelle des ondes sonores, la géométrie de l'espace traversé par la lumière fixe la taille apparente sous laquelle on les voit, et les données s'accordent avec un espace plat wiki-cmbHu 2002(→ chap. 6). Un espace plat a une densité totale bien définie, que les cosmologistes appellent la densité critique ; c'est l'univers « à densité critique » que la découverte des pics a établi Hu 2002. Toute la matière de l'Univers, ordinaire et noire, n'en fournit qu'environ 31 % : Planck donne Ωm = 0,3153 ± 0,0073 planck2018tab.

Il manque donc environ 68 %. Ce qui les fournit n'est pas de la matière, noire ou non. Toute matière se dilue quand l'Univers grandit ; cette composante-là garde la même densité wiki-de. Elle ne se rassemble pas dans des halos, ne dévie pas la lumière autour des amas, ne laisse pas de pic dans le fond diffus. Dans le modèle ΛCDM, sa part s'obtient d'abord par différence : l'espace étant plat, elle vaut ce qui manque pour atteindre la densité critique, soit ΩΛ = 0,6847 ± 0,0073 planck2018tab(→ chap. 7).

Une composante déduite par soustraction pourrait n'être qu'un artefact du modèle. Elle ne l'est pas, parce que deux autres méthodes, sans rapport avec la courbure, réclament la même quantité : les supernovas lointaines, dont la luminosité mesure la distance, et les oscillations acoustiques inscrites dans la répartition des galaxies planck2018tabEisenstein 2005. Trois méthodes différentes aboutissent au même manque. La première a surpris ses auteurs en 1998, en montrant que l'expansion de l'Univers accélère Riess 1998Perlmutter 1999. Ce qu'on sait de ces 68 %, et ce que leur nature décide de l'avenir, fait l'objet du chapitre suivant (→ chap. 22).

Ce qu'on ne sait pas

On ne sait pas de quoi est faite la matière noire. C'est l'incertitude centrale, et elle est de nature, pas de degré : aucune particule candidate n'a été détectée. Les trois familles en lice, WIMP, axions et trous noirs primordiaux, prédisent des signaux différents, et une seule détection suffirait à trancher. Pour les WIMP, le résultat nul de LZ en 417 jours, meilleur au monde au-dessus de 5 GeV/c², a réduit l'espace des possibles sans l'épuiser Lz 2025. La base ne documente ni les expériences qui cherchent les axions, ni les contraintes sur les trous noirs primordiaux, ni la manière dont ces derniers échapperaient à l'argument des premières minutes. Confiance très élevée sur l'existence de la matière noire ; aucune sur sa nature.

On ne sait pas si la gravité est exactement celle qu'on croit aux grandes échelles. L'hypothèse d'une gravité modifiée reste défendue par une minorité. Elle rend compte des courbes de rotation, mais pas de l'ensemble des observations wiki-dm, et l'amas du Boulet, où la masse s'est séparée du gaz à 8σ, est l'objection la plus difficile à contourner Clowe 2006. Ce qui la relancerait serait un phénomène que la matière noire ne peut pas reproduire ; la base n'en documente aucun. Confiance élevée dans l'explication par une matière invisible.

On ne connaît les pourcentages qu'à l'intérieur du modèle ΛCDM. Les densités de matière ordinaire et de matière noire sont lues presque directement sur les pics du fond diffus et vérifiées, pour les baryons, par le deutérium planck2018tabFields 2020. La traduction en parts du total dépend en revanche du taux d'expansion actuel, qui fait l'objet d'une tension de plus de cinq écarts-types entre deux méthodes de mesure (→ chap. 23). Si la solution de cette tension passait par une modification du modèle, les 4,9 %, 26,4 % et 68,5 % bougeraient. Le rapport d'environ cinq entre matière noire et matière ordinaire, qui repose sur les densités physiques, en dépend beaucoup moins. De même, la borne de DESI sur la masse des neutrinos, 0,064 électronvolt, est calculée dans ΛCDM Desi 2025 et changerait avec lui.

On ne sait pas si les galaxies précoces de Webb imposent quelque chose à la matière noire. Les premiers candidats touchaient le plafond fixé par le gaz des halos Boylankolchin 2023 ; les confirmations spectroscopiques ont réduit l'écart, et les explications en tête relèvent de la formation des galaxies plutôt que du modèle cosmologique (→ chap. 10). Confiance modérée : la question reste ouverte tant que l'excès de galaxies brillantes, mesuré à plus de cent fois les prévisions d'avant Webb Naidu 2025, n'est pas expliqué.

Enfin, deux points d'histoire restent à consolider. Le résultat de Rubin, Ford et Thonnard sur 21 galaxies n'a été lu, pour ce livre, que dans un résumé Rubin 1980, et les dates exactes des premières publications de Rubin et Ford ne sont pas documentées. Le facteur que trouvait Zwicky entre la masse nécessaire et la masse visible de Coma n'est pas non plus dans la base.

Ce que ce chapitre démontre

Dans le modèle ΛCDM, le contenu de l'Univers se répartit aujourd'hui en environ 5 % de matière ordinaire, 26,8 % de matière noire et 68,2 % d'énergie noire selon Planck 2013 ; les tables de 2018 donnent environ 4,9 %, 26,4 % et 68,5 % wiki-dmplanck2018tab. Ces parts valent pour aujourd'hui, puisque la matière se dilue avec l'expansion et l'énergie noire non, et elles sont calculées dans le modèle, non mesurées une à une wiki-deplanck2018tab. « Noire » signifie sans interaction avec la lumière.

La matière noire a été pesée par ses effets gravitationnels. En 1933, Zwicky applique le théorème du viriel à l'amas de Coma et y trouve une masse invisible, qu'il nomme dunkle Materie wiki-dm. Dans les années 1970, Rubin et Ford trouvent des courbes de rotation plates dans les galaxies spirales, là où les lois de Kepler prévoient une décroissance ; sur 21 galaxies, Rubin, Ford et Thonnard ne trouvent aucune courbe descendante wiki-dmRubin 1980. Une vitesse constante impose une masse qui croît avec la distance : chaque galaxie est plongée dans un halo invisible. Dans l'amas du Boulet, la masse mesurée par lentille gravitationnelle a traversé la collision tandis que le gaz, qui porte l'essentiel de la matière ordinaire, était freiné ; le décalage entre les deux est significatif à 8σ et ne peut s'expliquer, selon Clowe et ses coauteurs, par une modification de la loi de la gravitation Clowe 2006.

Cette masse n'est pas faite d'atomes. La nucléosynthèse ne dépend que du rapport baryons/photons, que Planck mesure à (6,104 ± 0,058) × 10⁻¹⁰ ; le deutérium prédit, 2,559 × 10⁻⁵, et le deutérium mesuré, (2,55 ± 0,03) × 10⁻⁵, s'accordent à un pour cent près Fields 2020. Il n'y a pas assez de baryons pour faire la matière manquante. Le fond diffus, de son côté, distingue la matière qui oscillait avec la lumière de celle qui ne le faisait pas : Ωb h² = 0,02237 ± 0,00015 et Ωc h² = 0,1200 ± 0,0012 planck2018tab. La matière noire pèse un peu plus de cinq fois la matière ordinaire et fait environ 85 % de la matière wiki-dm.

Elle a servi d'échafaudage à toute l'histoire racontée jusqu'ici. Avant 380 000 ans, elle dominait la gravité qui comprimait le plasma, et le troisième pic du fond diffus en porte la marque wiki-cmb. Ensuite, chaque galaxie s'est formée dans un halo de matière noire dont le gaz plafonne la masse d'étoiles ; les premiers candidats de Webb touchaient ce plafond Boylankolchin 2023.

On ne sait pas ce qu'elle est. Les modèles favorisent une matière noire froide ; les neutrinos, seule matière noire chaude connue, ont une somme de masses inférieure à 0,064 électronvolt wiki-dmDesi 2025. Aucun des candidats, WIMP, axions ou trous noirs primordiaux, n'a été détecté, et LZ n'a trouvé aucun signe de WIMP en 417 jours de données wiki-dmLz 2025. Les théories de gravité modifiée rendent compte des courbes de rotation mais pas de l'ensemble des observations wiki-dm. La matière noire compte, avec l'excès de matière sur l'antimatière et les oscillations des neutrinos, parmi les trois indices d'une physique au-delà du modèle standard Canetti 2012.

Même avec elle, le compte ne boucle pas. Le fond diffus impose un Univers plat, dont la matière totale ne fournit qu'environ 31 % (Ωm = 0,3153 ± 0,0073) planck2018tabHu 2002. Les 68 % restants ne sont pas de la matière et ne se diluent pas avec l'expansion wiki-de.

Notes