La matière noire suit-elle les mêmes lois que la matière ordinaire ? Le mystère de cette composante invisible et hypothétique de notre univers – qui n’émet ni ne reflète la lumière – reste entier. Une équipe composée de membres de l'Université de Genève (UNIGE) a cherché à déterminer si, à l'échelle cosmologique, cette matière se comporte comme la matière ordinaire ou si d'autres forces entrent en jeu.
Leurs conclusions, publiées dans Communications naturellessuggèrent un comportement similaire, tout en laissant ouverte la possibilité d’une interaction encore inconnue. Cette avancée apporte un peu plus de lumière sur les propriétés de cette matière insaisissable, cinq fois plus abondante que la matière ordinaire.
La matière ordinaire obéit à quatre forces bien identifiées : la gravité, l'électromagnétisme et les forces fortes et faibles au niveau atomique. Mais qu’en est-il de la matière noire ? Invisible et insaisissable, elle pourrait être soumise aux mêmes lois ou gouvernée par une cinquième force encore inconnue.
Pour percer ce mystère, une équipe dirigée par l'UNIGE a cherché à déterminer si, à l'échelle cosmique, la matière noire tombe dans les puits gravitationnels au même titre que la matière ordinaire. Sous l’influence d’objets célestes massifs, l’espace occupé par notre univers se déforme, créant des puits. La matière ordinaire – planètes, étoiles et galaxies – tombe dans ces puits selon des lois physiques bien établies, notamment la théorie de la relativité générale d'Einstein et les équations d'Euler. Mais qu’en est-il de la matière noire ?
« Pour répondre à cette question, nous avons comparé les vitesses des galaxies à travers l'univers avec la profondeur des puits gravitationnels », explique Camille Bonvin, professeur agrégé au Département de physique théorique de la Faculté des sciences de l'UNIGE et co-auteur de l'étude.
« Si la matière noire n'est pas soumise à une cinquième force, alors les galaxies, qui sont majoritairement constituées de matière noire, tomberont dans ces puits comme la matière ordinaire, gouvernée uniquement par la gravité. En revanche, si une cinquième force agit sur la matière noire, elle influencera le mouvement des galaxies, qui tomberont alors différemment dans les puits. En comparant la profondeur des puits avec les vitesses des galaxies, on peut donc tester la présence d'une telle force. »
Les équations d'Euler toujours valables
En appliquant cette approche aux données cosmologiques actuelles, l'équipe de recherche a conclu que la matière noire tombe dans les puits gravitationnels de la même manière que la matière ordinaire, obéissant ainsi aux équations d'Euler.
« A ce stade, ces conclusions n'excluent cependant pas encore la présence d'une force inconnue. Mais si une telle cinquième force existe, elle ne peut pas dépasser 7% de la force de gravité, sinon elle serait déjà apparue dans nos analyses », explique Nastassia Grimm, première auteure de l'étude et ancienne chercheuse postdoctorale au Département de physique théorique de la Faculté des sciences de l'UNIGE, qui a récemment rejoint l'Institut de cosmologie et de gravitation de l'Université de Portsmouth.
Ces premiers résultats marquent une avancée majeure dans la caractérisation de la matière noire. Le prochain défi sera de déterminer si une cinquième force la gouverne.
« Les prochaines données des expériences les plus récentes, comme LSST et DESI, seront sensibles à des forces aussi faibles que 2% de la gravité. Elles devraient donc permettre d'en apprendre encore plus sur le comportement de la matière noire », conclut Isaac Tutusaus, chercheur à l'ICE-CSIC et à l'IEEC et professeur associé à l'IRAP, Observatoire Midi-Pyrénées, Université de Toulouse, co-auteur de l'étude.
