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Peut-on se passer de l'hypothèse de la matière noire? Sinon, de quoi celle-ci est faite? Les récentes observations malmènent les principales pistes suivies pour résoudre cette grande énigme de l'astrophysique. Avec Benoît Famaey, tour d'horizon du problème et des issues possibles.

Sean Bailly

La galaxie naine IC 2574 est dite à faible brillance de surface. Elle contient beaucoup de gaz et très peu d’étoiles. Pour décrire correctement la dynamique de telles galaxies, il faut supposer qu’elles ont un cœur de densité de matière noire très étendu, ce qui est en désaccord avec les simulations de formation de galaxies.

© Stephen Leshin

Pour commencer, pouvez-vous nous rappeler comment le problème de la matière noire est apparu  ?

On attribue la découverte des premiers indices à Fritz Zwicky, un astronome suisse émigré aux États-Unis. Au début des années1930, en étudiant la dynamique des galaxies dans l’amas de Coma, il a constaté que la contribution gravitationnelle de la matière visible était très insuffisante pour expliquer les mouvements de ces galaxies. Il a alors parlé du problème de la masse manquante. Mais à l’époque, les astrophysiciens n’ont pas pris cette idée très au sérieux… pour de bonnes raisons.

Lesquelles ?

D’une part, les données sur la distribution de vitesse des galaxies étaient très lacunaires. D’autre part, on connaissait mal le contenu en matière des amas. La matière ordinaire composée d’atomes, ou « matière baryonique », n’est pas toujours visible et peut échapper au recensement. On pense aujourd’hui que près de 80 % de la matière baryonique d’un amas galactique est sous la forme d’un gaz chaud, qui n’émet que des rayonsX. À l’époque de Zwicky, les instruments d’observation n’étaient pas sensibles à ce rayonnement. De l’avis général des astrophysiciens, l’idée de Zwicky était prématurée. Cependant, même si on prend en compte le gaz chaud, il faudrait cinq fois plus de matière pour expliquer la dynamique des galaxies au sein des amas. Zwicky avait donc eu une bonne intuition, même si la confirmation n’est venue que bien plus tard.

Jusqu’à quand le problème de la masse manquante est-il resté ignoré ?

La question est revenue sur le tapis à la fin des années1970 avec l’avènement de la radioastronomie. Les chercheurs ont commencé à mesurer la vitesse de rotation du gaz dans les galaxies spirales. Les travaux d’Albert Bosma, aux Pays-Bas, et de Vera Rubin, aux États-Unis, ont été pionniers. Ils ont clairement montré que le gaz a une vitesse trop élevée dans les parties externes des galaxies compte tenu de la distribution de masse de matière baryonique de la galaxie : la force gravitationnelle exercée par la matière ordinaire est insuffisante pour retenir au sein de la galaxie un gaz qui se déplace aussi vite. Le gaz devrait s’échapper, alors que ce n’est pas le cas.

L’explication pouvait-elle encore invoquer de la matière baryonique cachée ?

Tout à fait. À cette époque, on n’avait pas la preuve formelle que la masse manquante n’est pas de la matière baryonique. Même aujourd’hui, si l’on sait détecter les gaz chauds, l’hydrogène moléculaire (H2) reste très difficile à observer et pourrait contribuer en partie à la masse manquante. Mais nous avons des arguments pour conclure que l’hydrogène moléculaire ne constitue pas une grande part de la masse manquante et qu’il faut chercher ailleurs.

Quels sont ces arguments ?

Ils viennent de l’étude des galaxies naines en orbite autour de la Voie lactée. Ces petites galaxies satellites sont soumises aux forces de marée de la Voie lactée. Elles sont progressivement détruites par ces effets gravitationnels et laissent derrière elles une traînée de matière, qu’on nomme un courant de marée. En analysant la forme de ces courants de marées, les astrophysiciens ont montré que la forme du champ gravitationnel de la Galaxie, plus précisément le potentiel gravitationnel, qui est directement relié à la distribution de toute la matière qu’elle contient (visible et invisible), est plutôt sphérique. Or la matière visible de la Voie lactée est répartie dans un disque. L’hydrogène moléculaire a sans doute une distribution aplatie elle aussi, et ce gaz ne peut donc pas conférer au potentiel gravitationnel de la Galaxie sa sphéricité.

Peut-on imaginer d’autres candidats de matière ordinaire pour expliquer la masse manquante ?

Dans les années1980, les astrophysiciens ont aussi envisagé que la masse manquante corresponde à une importante population de petites étoiles froides et peu lumineuses, des naines brunes, mais aussi des planètes flottantes ou des trous noirs, dont la distribution ne suivrait pas nécessairement celle de la matière visible. Cependant, divers programmes d’observation, tel Eros mené par le CEA et le CNRS, ont permis d’écarter cette hypothèse. L’idée d’Eros était d’observer les nuages de Magellan et de recenser les effets de microlentille gravitationnelle : lorsqu’une naine brune (de la Voie lactée) passe devant une étoile lointaine (des nuages de Magellan), elle en amplifie la luminosité, comme le prévoit la théorie de la relativité générale. On a observé trop peu de tels effets pour soutenir que les petits objets sombres puissent constituer la masse manquante galactique.

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