Quand vous étiez enfant, avez-vous déjà joué à ce jeu Devinez qui ? Si ce n’est pas le cas, c’est plutôt amusant. Vous êtes deux joueurs, chacun avec un plateau devant eux. Sur le plateau se trouvent un tas de cartes à rabat avec différents personnages. Vous devez deviner l'identité secrète de votre adversaire grâce à un processus d'élimination. Vous demandez s'il s'agit d'un enfant ou d'un adulte, d'un garçon ou d'une fille, ou s'il porte des lunettes ou s'il est chauve. Si vous posez les bonnes questions et éliminez les bonnes possibilités, il ne vous reste qu'une seule option : l'identité secrète de votre adversaire.
Chaque fois que je pense à notre recherche de la matière noire, je ne peux m'empêcher de penser à ce jeu. Il se passe quelque chose dans l'univers. Un type d’observation – mesurer la quantité de matière chaude, brillante et visible – ne correspond pas à d’autres types d’observations, celles qui nous indiquent la quantité totale de matière dans l’univers. Pour expliquer cet écart, nous disposons d’une très grande variété d’options.
Toutes ces options s'inscrivent dans deux grandes catégories (qui, je dois le souligner, ne s'excluent pas mutuellement, il est plus que possible que l'univers soit extrêmement compliqué) et elles sont soit qu'il y a un nouvel ingrédient dans l'univers, une forme de matière jusqu'ici inconnue, soit que notre compréhension de la gravité est fondamentalement erronée aux échelles galactiques.
Les théoriciens ne sont pas en reste, et dès que la preuve de quelque chose de nouveau et d’excitant est apparue dans nos observations, ils ont commencé à inventer des idées. Ainsi, au sein de chacune de ces catégories, il existe une gamme vertigineuse de modèles, d’hypothèses, de suppositions folles et d’idées brillantes mais erronées.
En commençant par les mesures révolutionnaires de Vera Rubin, nous avons travaillé dur pour jouer à un jeu de Devinez qui galactique. Toute idée de la cause des divergences dans les observations se heurte à un énorme défi : elle doit expliquer TOUTES les observations, réussir tous les tests, à toutes les échelles, à tout moment, depuis les courbes de rotation des galaxies jusqu'au fond cosmique des micro-ondes… et plus encore.
Par exemple, on pourrait raisonnablement supposer que la matière noire n’est peut-être que… de la matière obscure, comme les trous noirs, vous savez, quelque chose qui n’est pas facile à voir. Il est assez facile de remplir une galaxie de trous noirs supplémentaires pour tenir compte des courbes de rotation. Mais comment faire pour que ces trous noirs dans les espaces entre les galaxies tiennent compte des observations d’amas ? Ou peupler l’univers primitif avec suffisamment de trous noirs pour tenir compte du fond diffus cosmologique ?
Le cosmos n'est pas très doué pour former des trous noirs (il faut d'abord que les étoiles vivent et meurent pour en créer), donc on ne peut pas expliquer toute la matière noire uniquement à travers les trous noirs. Une abondance de trous noirs peut expliquer une observation, mais pas toutes.
Ou peut-être que ce sont des neutrinos. Vous savez, ces petites particules fantomatiques qui n’interagissent presque jamais avec la matière normale ? À première vue, ils constituent un candidat idéal pour la matière noire. Il y en a beaucoup. Ils ont un peu de masse. Ils sont vraiment très difficiles à voir.
Mais dans ce jeu de Devinez qui, nous devons les éliminer. C’est parce qu’ils sont chauds : en termes cosmologiques, ils voyagent presque à la vitesse de la lumière. Cela signifie qu’ils ne sont pas adaptés à la construction de structures comme les galaxies. Les neutrinos les rendent trop lissés. Si nous devions remplir l’univers de suffisamment de neutrinos pour expliquer la matière noire, nous ne pourrions pas former de galaxies. Ce ne seraient que des gouttes de gaz étalées. Une abondance de neutrinos peut expliquer une observation, mais pas toutes.
Qu’en est-il des formes alternatives de gravité ? Le plus célèbre d’entre eux est peut-être MOND, pour dynamique newtonienne modifiée. Il s’agit essentiellement d’une solution à la gravité de Newton, soigneusement conçue pour expliquer les courbes de rotation des galaxies. Cela dit simplement qu'à grande échelle, notre compréhension habituelle de la masse, de la force et de l'accélération est un peu erronée. Oui, ce n'est pas la chose la plus rigoureuse au monde, mais c'est un bon début. Le problème avec MOND et toutes ses théories associées est que même si elles peuvent être adaptées à un scénario particulier, elles ont du mal à s'étendre à d'autres échelles.
Par exemple, vous pourrez peut-être définir les courbes de rotation des galaxies, mais vous aurez alors du mal à obtenir les détails corrects des clusters, en particulier ceux qui interagissent comme le célèbre Bullet Cluster. Il s'agit d'une image composite montrant les composants d'une fusion entre deux amas de galaxies. Vous pouvez voir les galaxies membres individuelles, qui se sont en grande partie traversées indemnes (car il y a beaucoup d'espace dans un amas). Vous pouvez voir le gaz chaud au milieu, qui s’est emmêlé et a été choqué. Et puis vous pouvez voir avec une lentille gravitationnelle où se trouve la majeure partie de la matière – et ce n'est à aucun des deux endroits. Expliquer simultanément des images comme celles-ci, ainsi que les courbes de rotation des galaxies et le fond diffus cosmologique est une tâche qu'aucune théorie de la gravité modifiée n'a accomplie.
Cela ne signifie pas que nous comprenons la gravité à 100 %, mais jusqu'à présent, personne n'a été en mesure de trouver une alternative convaincante expliquant toutes les observations. Même si ces théories sont correctes, ou du moins sur le point de l’être, le fait qu’elles échouent toujours dans un sens ou dans l’autre signifie que la matière noire est inévitable. Vous ne pouvez tout simplement pas vous en débarrasser.
Après un demi-siècle de « devinez qui », il ne nous reste que très peu de possibilités. Modifier la gravité ne suffit pas. Une abondance de matière normale, mais autrement sombre ou invisible, ne suffit pas. La seule hypothèse restante est que la matière noire est en réalité un nouveau type de matière, une particule mystérieuse actuellement inconnue de la physique.
La matière noire doit avoir un ensemble limité de propriétés pour correspondre à toutes les observations connues. Il doit rarement, voire jamais, interagir avec la lumière. Il doit rarement, voire jamais, interagir avec la matière normale. Il pourrait être capable d’interagir avec lui-même dans une certaine mesure, selon le modèle. Il doit faire froid, ce qui signifie qu’il doit se déplacer lentement par rapport à la vitesse de la lumière. Et il doit être fabriqué en abondance dans l’univers extrêmement primitif afin qu’il puisse participer dès le départ à toutes ces manigances cosmiques.
Pendant des décennies, les cosmologistes étaient sûrs d’être sur la bonne voie. Ils avaient même un nom pour leur principal candidat, le WIMP : la particule massive à faible interaction. C’est pourquoi ils ont installé des détecteurs et des observatoires spécialisés dans le monde entier pour obtenir la preuve définitive qu’ils recherchaient.
