Ce qu'on ne voit pas

Trop vite pour tenir

En 1933, l'astronome suisse Fritz Zwicky mesure l'agitation des galaxies de l'amas de Coma : plusieurs centaines de galaxies que leur gravité mutuelle retient ensemble, et qui s'y déplacent chacune à sa vitesse. Il leur applique le théorème du viriel. 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, pas assez pour s'échapper, et plus l'amas est massif, plus il peut retenir de galaxies rapides. La dispersion de leurs vitesses donne la masse qu'il faut pour les tenir. Celles de Coma s'agitent trop vite : ce qui brille dans l'amas ne suffit pas à les retenir, et 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, et l'expression traverse le siècle.

Le deuxième indice vient de l'intérieur des galaxies. Dans les années 1970, l'astronome américaine Vera Rubin et son collègue Kent Ford braquent un spectrographe nouveau sur des galaxies spirales vues par la tranche. Un disque vu ainsi a un bord qui s'approche et un bord qui s'éloigne ; les raies de son spectre glissent vers le bleu du côté qui vient, vers le rouge du côté qui part, et l'écart donne la vitesse des étoiles et du gaz à chaque distance du centre. Portée point par point, du centre au bord, cette vitesse dessine une courbe de rotation.

Ce que ces courbes devraient montrer est connu depuis Kepler. Un corps en orbite autour d'une masse concentrée tourne d'autant plus lentement qu'il en est loin, et les planètes lointaines du Système solaire tournent plus lentement que les proches. Dans une spirale, la lumière se concentre au centre et s'éteint vers le bord du disque ; si la masse suivait la lumière, la vitesse tomberait au-delà de la région où se trouvent la plupart des étoiles. Elle ne tombe pas. Loin du centre, là où il n'y a presque plus d'étoiles, elle reste à peu près la même, et les courbes sont plates. En 1980, Rubin, Ford et Norbert Thonnard publient celles de vingt et une galaxies spirales, de la plus petite, NGC 4605, dont le rayon fait 13 000 années-lumière, à la plus grande, UGC 2885, qui en fait 400 000 : aucune ne descend, et la plupart montent encore au point le plus éloigné qu'on ait pu mesurer.

Une courbe plate se traduit directement en masse. Pour un corps en orbite circulaire, le carré de la vitesse vaut la masse enfermée dans l'orbite divisée par son rayon ; si la vitesse ne change pas quand le rayon double, la masse intérieure a doublé. Loin du centre, là où la lumière s'éteint, la masse continue de croître avec la distance. Il faut une masse invisible qui s'étend bien au-delà du disque et l'enveloppe, un halo. Chaque spirale, avec son bulbe, ses bras et ses étoiles, se tient plongée dans une concentration de masse plus vaste qu'elle, dont elle n'est que la partie lumineuse — une lueur posée au cœur d'une masse qui ne luit pas.

Les deux pesées, celle de Zwicky et celle de Rubin et Ford, reposent sur le même principe : des mouvements mesurés, et une masse déduite par la loi de la gravitation. 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 ouvertes : ou bien une masse invisible existe, ou bien la loi de la gravitation change de forme à ces échelles.

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 arrivent déformées, étirées, parfois dédoublées. Le phénomène s'appelle lentille gravitationnelle. Mesurer ces déformations pèse la masse totale de l'amas, qu'elle brille ou non, et la méthode ne suppose rien des mouvements du système ni de son équilibre ; elle mesure la masse par son seul effet sur la lumière qui la traverse, et elle dit où cette masse se trouve dans le ciel.

L'amas du Boulet est deux amas de galaxies entrés en collision. Dans un amas, l'essentiel de la matière ordinaire n'est pas dans les étoiles des galaxies ; c'est un gaz très chaud qui remplit l'espace entre elles. Pendant la collision, les deux nuages de gaz se sont heurtés et freinés, comme deux jets d'eau qui se croisent et s'écrasent l'un sur l'autre. La masse mesurée par lentille, elle, est passée au travers, sans être ralentie. Au moment où on l'observe, la collision a séparé les deux composantes : le gaz, qui porte l'essentiel de la matière ordinaire, est resté en arrière, au milieu, et la masse est allée plus loin, de part et d'autre, deux masses qui poursuivent leur chemin, l'une d'un côté, l'autre de l'autre, et entre elles le gaz qui ne les a pas suivies.

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 de celui de la matière ordinaire à 8σ, huit fois l'incertitude de la mesure, quand cinq suffisent d'ordinaire à une découverte, et ce décalage, écrivent-ils, « ne peut être expliqué par une modification de la loi de la gravitation ». L'argument tient au lieu. Si l'on changeait la loi sans ajouter de matière, la seule source de gravité resterait la matière ordinaire, et la déviation la plus forte se trouverait dans le gaz ; une loi différente pourrait la renforcer ou l'affaiblir, pas la déplacer vers une région presque vide de matière visible. C'est pourtant là qu'on la trouve, là où il n'y a presque rien à voir. La collision a fait ce qu'aucune galaxie isolée ne permet : séparer physiquement la masse invisible de la matière ordinaire.

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

Zwicky a 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 de quoi la masse invisible est faite. On pourrait imaginer des atomes qui ne brillent pas : du gaz trop froid pour émettre, des étoiles éteintes, des planètes errantes.

Le baryomètre

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, et entre la troisième et la vingtième minute après le début ces protons et ces neutrons ont pris part à la formation des premiers noyaux, racontée au chapitre des trois minutes. Quoi qu'ils soient devenus ensuite, ils y ont laissé une trace comptable.

Cette formation, 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. Ce rapport, le fond diffus le mesure de son côté, par une physique toute différente : Planck compte six baryons pour dix milliards de photons, à un pour cent près. Avec cette valeur, la nucléosynthèse devient, selon Brian Fields et ses coauteurs, « essentiellement une théorie sans paramètre » : plus rien à régler, il ne reste qu'à comparer ses prédictions aux mesures.

Le deutérium est la mesure la plus fine. Ce noyau d'hydrogène lourd, un proton et un neutron, est un reste de la nucléosynthèse, et sa quantité dépend de près de la densité de baryons ; on l'appelle le baryomètre de l'Univers. Avec le rapport de Planck, la nucléosynthèse prédit vingt-cinq atomes et demi de deutérium pour un million d'atomes d'hydrogène. Dans des nuages de gaz lointains éclairés par des quasars, on en lit, en moyenne sur onze mesures, la même quantité, à mieux qu'un pour cent. La physique nucléaire des premières minutes et la physique acoustique des 380 000 ans ont compté, chacune de son côté, la même matière ordinaire.

Cette quantité est celle des 4,9 % de Planck ; la matière totale, elle, pèse environ 31 % du contenu de l'Univers. Si la masse manquante était faite d'atomes, elle aurait été faite de protons et de neutrons pendant les premières minutes ; il y aurait eu six fois et demie plus de baryons que Planck n'en compte, et le deutérium calculé avec cette densité-là ne tomberait plus sur la valeur mesurée. Les sources de ce livre ne chiffrent pas de combien il s'en écarterait ; elles établissent que le deutérium mesuré ne laisse de place qu'à la densité de baryons de Planck, à un pour cent près. 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 lu dans les vieilles étoiles est environ trois fois moins abondant que prévu. Corriger ce désaccord en changeant le rapport des baryons aux photons désaccorderait le deutérium et l'hélium, et aucune piste sérieuse n'y cherche un surplus de baryons.

Ce qui oscillait, et ce qui ne l'était pas

La deuxième pesée des atomes se lit sur la carte du fond diffus. Avant 380 000 ans, la matière ordinaire est un plasma d'électrons libres et de noyaux, lié aux photons par les chocs incessants entre électrons et lumière. Ce fluide oscille : la gravité le serre, la pression de la lumière le repousse, et ces ondes sonores se sont figées dans la carte, comme le chapitre de la première lumière l'a raconté. La matière noire ne participe pas à ces oscillations ; elle n'interagit pas avec la lumière, et ne fait que tenir les puits de gravité où le fluide oscille. La carte distingue ainsi les deux sortes de matière par la propriété même qui définit la seconde : 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, et le modèle ajusté à la carte compte deux paramètres de densité distincts, que Planck mesure tous les deux, l'un pour les baryons, l'autre pour la matière noire froide, chacun connu à un pour cent près. Le second vaut 5,4 fois le premier : la matière noire pèse un peu plus de cinq fois la matière ordinaire, et fait environ 84 % de la matière totale, les 85 % qu'on cite couramment. Il est exclu que les deux 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 ni un gaz trop froid pour briller, ni des étoiles éteintes, ni des planètes errantes, ni aucune autre forme d'atomes. Elle est d'une autre nature que tout ce dont sont faits les étoiles, les planètes et les vivants ; 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, et la fraction d'antimatière du système reste sous trois millionièmes. La masse qui a traversé la collision sans se freiner n'est pas non plus un reflet d'antimatière de la matière ordinaire.

Elle était déjà là

Ce qu'on vient d'établir oblige à relire l'histoire que ce livre a déjà racontée, parce que la matière noire n'est pas apparue avec les galaxies qu'on a pesées. Avant 380 000 ans, dans le plasma qui deviendra le fond diffus, la gravité qui serre les surdensités est dominée par elle ; son rapport à la matière ordinaire est déjà celui d'aujourd'hui, un peu plus de cinq, les deux se diluant de la même manière avec l'expansion. C'est elle qui fournit l'essentiel du ressort des ondes sonores, et le troisième pic en porte la marque. La plus vieille lumière de l'Univers est aussi 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 d'approfondir pendant ce temps. Les âges sombres, l'époque où rien ne brille, sont aussi celle où la matière ordinaire rejoint, en tombant, une matière qui n'a 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, parmi 46 748 galaxies, une distance privilégiée, conforme à la trace prévue des oscillations acoustiques.

Quand la nuit finit, la matière noire est rassemblée en halos, les mêmes concentrations que Rubin et Ford devinaient autour des spirales, et le gaz ordinaire tombé dans ces halos y forme un réservoir qui fixe une limite : « la masse d'étoiles d'une galaxie est limitée par le réservoir de matière ordinaire disponible dans son halo de matière noire », écrit Michael Boylan-Kolchin, à peu près une masse de gaz pour cinq de matière noire, 16 % au plus de la masse d'un halo, comme le chapitre des galaxies précoces l'a compté. 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 à un moment donné, et les premiers candidats galaxies de Webb, en 2022, se tenaient « à la limite même » de ce plafond : une erreur de mesure, une formation d'étoiles plus efficace que prévu, ou une faille du modèle lui-même. Depuis, la spectroscopie a écarté beaucoup des candidats les plus massifs, et la plupart des explications restent dans le modèle standard ; mais 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 de matière noire. 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. La matière noire n'a participé à aucune de ces transformations, elle ne sent que la gravité, et 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'on n'a pas trouvé

On sait combien pèse la matière noire, où elle se trouve, et quelques-unes de ses propriétés. Le mot « noire » ne veut pas dire sombre au sens d'un nuage opaque, qui absorbe la lumière et donc interagit avec elle : elle n'en émet pas, n'en absorbe pas, n'en diffuse pas. Elle est transparente plutôt qu'obscure, invisible à tous les instruments qui recueillent de la lumière, de la radio aux rayons gamma, et sa gravité est le seul moyen de la détecter qui ait réussi. On la classe en « froide », « tiède » ou « chaude » selon que ses particules se déplacent lentement ou à une vitesse proche de celle de la lumière ; les modèles récents favorisent la froide, c'est le CDM inscrit dans le nom du modèle standard. On ne sait pas ce qu'elle est.

On connaît une matière noire chaude, et une seule : les neutrinos. Ils existent, n'interagissent pas avec la lumière, traversent la matière presque sans la toucher et filent, tant ils sont légers, à une vitesse proche de celle de la lumière. Ils pèsent beaucoup trop peu pour faire la masse manquante : le relevé DESI borne la somme des masses des trois espèces à moins de 0,064 électronvolt, dans le cadre de ΛCDM, quand l'électron, déjà très léger, en pèse environ 511 000. Les neutrinos sont bien une matière noire, et une part infime de la matière noire.

Les candidats sérieux sont des particules ou des objets qu'on n'a jamais observés, en trois grandes familles : les WIMP, sigle anglais de « particules massives interagissant faiblement », les axions, particules hypothétiques très légères, et les trous noirs primordiaux. Aucune des trois n'a été détectée. 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 leurs oscillations, la matière noire et l'excès de matière sur l'antimatière.

Les WIMP ont été la piste la plus poursuivie, et les résultats nuls s'y accumulent. Les recherches directes guettent le choc d'une particule de matière noire sur un noyau atomique, dans un détecteur protégé du reste du rayonnement. Le plus récent, LZ, est une cuve de xénon liquide installée sous terre ; en décembre 2025, l'expérience annonce le résultat de 417 jours de données prises entre mars 2023 et avril 2025 : « aucun signe de WIMP », et les meilleures limites au monde pour des particules de plus de cinq fois la masse d'un proton, qui « resserrent encore » les possibilités de ce que la matière noire pourrait être. Un résultat nul de ce genre ne réfute pas les WIMP ; 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 s'appelle MOND, pour « dynamique newtonienne modifiée », rendent bien compte des courbes de rotation ; elles ne décrivent pas toutes les observations à la fois, 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. MOND reste une position minoritaire, défendue par des chercheurs qui publient dans les revues du domaine, et non une hérésie.

L'état de la question tient 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. Cette ignorance n'est pas seulement une lacune de l'astronomie : aucune particule du modèle standard de la physique des particules ne convient, et la matière noire compte, 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. Le livre s'était ouvert sur une limite de la physique connue, le seuil d'avant l'inflation ; la matière noire en est une autre, et elle occupe l'Univers présent.

Un vingtième

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, et ceux qui, dans les dernières secondes de l'année, ont pesé le reste — autant d'assemblages de protons, de neutrons et d'électrons, trois grains, les mêmes, noués autrement à chaque étage. Les cosmologistes appellent cette matière « ordinaire », ou « baryonique », d'après le nom de la famille de particules à laquelle appartiennent les protons et les neutrons.

Dans le modèle standard de la cosmologie, cette matière ne représente qu'environ 5 % du contenu de l'Univers, la matière noire 26,8 % et l'énergie noire 68,2 %, selon les valeurs publiées par Planck en 2013 ; les tables finales de 2018 donnent environ 4,9 %, 26,4 % et 68,5 %, et le « 27 % » qu'on lit souvent est un arrondi entre les deux. Tout ce que le livre a raconté depuis la fin du seuil tient dans un vingtième du total. Le modèle porte les deux inconnues dans son nom, ΛCDM : Λ pour la constante cosmologique, la forme la plus simple d'énergie noire, CDM pour la matière noire froide. Les deux n'ont en commun que l'adjectif. La matière noire est de la matière, elle attire et se rassemble sous sa propre gravité ; l'énergie noire n'en est pas, c'est le nom donné à ce qui accélère l'expansion.

Ces parts valent aujourd'hui. Au fil de l'expansion, la matière se dilue, la même quantité dans un volume toujours plus grand, et l'énergie noire ne se dilue pas ; elle ne l'emporte sur la matière que depuis un peu moins de dix milliards d'années après le Big Bang, et il y a dix milliards d'années la matière dominait : les 68 % ne s'appliquent pas au passé que ce livre a raconté. Elles sont aussi calculées. Aucun des trois nombres n'est mesuré séparément, comme on pèserait trois sacs sur une balance ; ils sortent d'un ajustement de l'ensemble du modèle à la carte du fond diffus, complétée par d'autres mesures, construit étage par étage comme le chapitre de l'âge l'a montré. Les densités de matière ordinaire et de matière noire sont les grandeurs les plus directement lues sur la carte ; la part d'énergie noire s'obtient par différence. Si le modèle était faux, les pourcentages le seraient aussi.

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 sous laquelle on les voit, et les données s'accordent avec un espace plat, dont la densité totale est bien définie, la densité critique. Toute la matière de l'Univers, ordinaire et noire, n'en fournit qu'environ 31 % ; il manque environ 68 %. Ce qui les fournit n'est pas de la matière, noire ou non : toute matière se dilue quand l'Univers grandit, et cette composante-là garde la même densité. 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, et dans ΛCDM sa part s'obtient d'abord par différence, ce qui manque pour atteindre la densité critique.

Une composante déduite par soustraction pourrait n'être qu'un artefact du modèle. Elle ne l'est pas : 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. Trois méthodes différentes, trois façons de regarder loin, aboutissent au même manque, et la première a surpris ses auteurs en 1998 : l'expansion de l'Univers accélère.