La matière noire et l’énergie noire, qui constituent la majeure partie de l’univers, sont des forces insaisissables qui façonnent la structure et l’expansion cosmiques. Les scientifiques du monde entier, y compris au Laboratoire national d'Argonne, utilisent une technologie de pointe pour percer ces mystères. Crédit : Issues.fr.com
Que sont la matière noire et l’énergie noire ?
Il y a quelque chose qui ne va pas dans le cosmos. Des influences mystérieuses semblent étendre l'univers et regrouper les éléments de manière inattendue, mais nous ne pouvons ni les voir ni les toucher. Les scientifiques appellent ces influences l’énergie noire et la matière noire.
Les humains étudient le ciel depuis des milliers d’années et, au siècle dernier, les scientifiques ont vraiment commencé à comprendre comment l’univers se déplace et change sous l’influence d’une force appelée gravité. La gravité affecte tout, y compris non seulement la matière – un terme scientifique désignant les choses – mais aussi la lumière. C'est ce qui attire nos corps vers la Terre, et cela fonctionne également sur les vastes distances entre les étoiles et les galaxies.
Dans cette vidéo Science 101, les chercheurs postdoctoraux Gillian Beltz-Mohrmann et Florian Kéruzoré explorent deux des plus grands mystères de la science : la matière noire et l'énergie noire. Ces influences étranges semblent étendre l’univers et regrouper les éléments de manière inattendue. Ensemble, ils représentent 95 % de l’univers, mais comme nous ne pouvons ni les voir ni les toucher, nous ne savons pas ce qu’ils sont. Des chercheurs du monde entier, notamment des scientifiques du Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie, étudient la nature de la matière noire et de l'énergie noire au moyen de vastes études cosmologiques, d'expériences en physique des particules, ainsi que de calculs et de simulations avancés.
La gravité joue un rôle crucial dans la façon dont les galaxies se forment et se déplacent. À mesure que les scientifiques en apprennent davantage sur l’univers, ils découvrent qu’une grande partie du comportement des galaxies n’aurait aucun sens s’il n’y avait pas une énorme quantité de matière invisible – bien plus de matière que ce que nous avons encore à découvrir. Cette matière invisible – ou sombre – exerce une attraction gravitationnelle supplémentaire. Si cela n’existait pas, certaines galaxies se seraient éclatées et d’autres ne se seraient pas formées du tout.
Ce graphique montre un exemple réaliste de la façon dont la matière noire peut provoquer une rotation plus rapide des régions extérieures des galaxies spirales que si elles étaient uniquement sous l'influence de la gravité de la matière visible. Cette divergence suggère que la matière noire existe, exerçant une attraction gravitationnelle supplémentaire. Crédit : Laboratoire National d'Argonne
Nous l'appelons « sombre » parce que nous ne pouvons pas le voir. Contrairement à la matière visible (la matière que nous pouvons voir, y compris les étoiles, les planètes, l'eau, etc.), elle ne semble pas libérer ou absorber de la lumière, ni interagir avec d'autres matières, sauf par gravité. Nous savons où cela devrait être, mais rien n’est là lorsque nous regardons. C'est comme voir des ondulations dans un étang, mais ne pas être capable de voir ce qui les a provoquées.
Pendant ce temps, quelque chose d’autre pousse l’univers à s’étendre de plus en plus vite. Pour autant que nous puissions en juger, l’univers est en expansion depuis ses débuts, il y a 13,8 milliards d’années. L'espace entre les objets ne cesse de croître, comme si l'espace lui-même s'étirait comme la surface d'un ballon lorsqu'il est gonflé. Les scientifiques s’attendaient à ce que la vitesse de cette expansion ralentisse avec le temps, mais ils ont découvert le contraire. Il y a environ cinq milliards d’années, l’expansion de l’univers a commencé à s’accélérer. Nous ne savons pas ce qui cause cette expansion accélérée, mais nous l’avons appelée énergie sombre.
L’attraction gravitationnelle de la matière noire peut plier la lumière provenant de galaxies lointaines, provoquant une distorsion de leurs images lorsqu’elles atteignent nos télescopes. Ce phénomène, appelé lentille gravitationnelle, révèle la présence de matière noire même si nous ne pouvons pas la voir. Crédit : Laboratoire National d'Argonne
D’après ce que peuvent dire les scientifiques, la matière visible ne représente que 5 % de l’univers. On pense que la matière noire et l’énergie noire représentent respectivement les 27 % et 68 % restants. En d’autres termes, ce que nous connaissons bien – la matière visible – est loin d’expliquer la nature de la grande majorité de l’univers.
Alors, comment les scientifiques tentent-ils de résoudre ce mystère ? Quoi sont matière noire et énergie noire ?
Pour le savoir, nous avons besoin de données, et de beaucoup de données. Pour collecter ces données, les scientifiques construisent des télescopes et des caméras géantes. Il s’agit notamment des télescopes spatiaux Hubble et James Webb dans l’espace ; le télescope du pôle Sud en Antarctique ; l'instrument spectroscopique d'énergie sombre en Arizona ; et le Dark Energy Survey et le prochain Observatoire Vera C. Rubin au Chili.
L'univers est principalement composé d'énergie noire et de matière noire. La matière visible (tout ce que nous pouvons voir, y compris les étoiles et les planètes) ne représente qu'environ 5 % de l'univers. Les scientifiques étudient la nature des 95 % inconnus. Crédit : Laboratoire National d'Argonne
Ces instruments sensibles surveillent le ciel pour révéler l'emplacement et le mouvement des galaxies dans l'univers au fil du temps. Les superordinateurs aident les scientifiques à effectuer des simulations détaillées de l’univers et à analyser les données des télescopes. En plus d’observer le ciel pour trouver des réponses, les scientifiques construisent également des détecteurs sensibles pour rechercher directement la matière noire sur Terre.
Les chercheurs du Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie contribuent à l'étude de la matière noire et de l'énergie noire en participant à ces grandes études cosmologiques, à des expériences de physique des particules et en utilisant le calcul et la simulation avancés. Les informations issues de ces enquêtes et simulations aident les scientifiques à créer des cartes des endroits où se trouve la matière noire et fournissent des indices sur la nature de l'énergie noire.
À mesure que nos télescopes, supercalculateurs et autres instruments deviennent plus sophistiqués, nous trouvons de plus en plus de preuves qu’il nous manque quelque chose d’important, et les scientifiques s’efforcent de comprendre de quoi il s’agit. Le travail des scientifiques d’Argonne rapproche le monde de la résolution de ces mystères cosmiques.
