Et si la matière noire n'était que l'attraction gravitationnelle mutuelle de tout l'Univers ?
Une étude approfondie d'une idée intrigante
La matière noire est l'un des plus grands mystères de la cosmologie et de l'astrophysique modernes. Les observations, incluant les courbes de rotation des galaxies, le lentillage gravitationnel et la formation de la grande structure, montrent qu'il existe dans l'Univers une forme de matière qui n'interagit pas avec la lumière – d'où son nom de « matière noire ». Selon la conception newtonienne et einsteinienne de la gravité, la matière visible, « ordinaire » (protons, neutrons, électrons) ne constitue qu'environ 5 % de l'équilibre total énergie-matière de l'Univers, tandis que la matière noire en représente environ 27 % (le reste étant l'énergie noire).
Mais que se passerait-il si cette masse manquante n'existait pas du tout ? Peut-être s'agit-il simplement de l'effet de la gravitation mutuelle de l'Univers : de petites contributions gravitationnelles de toutes les étoiles, planètes et particules de gaz, qui, mises ensemble, créent des phénomènes que nous interprétons comme de la « matière noire ». C'est une idée intrigante : pourrions-nous abandonner le concept de matière noire en tant que composant distinct et tout expliquer uniquement par l'effet gravitationnel global de la matière visible à grande échelle ?
Dans cet article, nous étudierons en détail cette idée – nous passerons en revue les preuves de l'existence de la matière noire, les tentatives scientifiques pour expliquer ce phénomène et pourquoi l'idée que « c'est juste la gravité de tout ce qui existe » est à la fois séduisante et, malheureusement, insuffisante au regard des données d'observation détaillées.
1. Preuves de l'existence de la matière noire
1.1 Courbes de rotation des galaxies
L'une des premières preuves évidentes de l'existence de la matière noire est la mesure de la vitesse des orbites des étoiles aux bords des galaxies. Selon la mécanique newtonienne, la vitesse orbitale des étoiles aux bords d'une galaxie devrait diminuer avec la distance au centre – de la même manière que la vitesse des planètes dans notre système solaire diminue en s'éloignant du Soleil.
Cependant, les astronomes ont observé que les étoiles situées dans les régions les plus éloignées des galaxies spirales se déplacent beaucoup plus rapidement que ce que prévoient les calculs habituels. Ce phénomène, appelé « courbes de rotation plates », indique qu'il existe beaucoup plus de masse que ce que nous pouvons déterminer à partir du rayonnement électromagnétique (lumière à différentes longueurs d'onde). Si la galaxie ne contenait que la matière visible (étoiles, gaz, poussières), les orbites des étoiles lointaines devraient être plus lentes. La seule explication simple est qu'il existe une couche supplémentaire de masse invisible, c'est-à-dire la matière noire.
1.2 Lentillage gravitationnel
Le lentillage gravitationnel est la capacité des objets massifs à courber la lumière, comme décrit par la théorie de la relativité générale d'Einstein. En observant les amas de galaxies, on constate que leur effet sur l'image des galaxies plus lointaines (lentillage) est bien plus fort que ce que la matière visible seule peut expliquer. Pour expliquer cet effet, une masse supplémentaire est nécessaire – ce qui pointe encore vers la matière noire.
Un exemple célèbre est la collision dite du Bullet Cluster, où deux amas de galaxies sont passés l'un à travers l'autre. Les gaz chauds (visibles en rayons X) ont été ralentis par des interactions, tandis que l'influence gravitationnelle la plus forte s'est déplacée plus loin. Cela suggère qu'une partie de la masse interagit très peu électromagnétiquement (c'est-à-dire qu'elle ne s'accroche pas comme les gaz ordinaires), mais a un effet gravitationnel significatif.
1.3 Observations cosmologiques et formation des structures
En observant le fond diffus cosmologique (en anglais Cosmic Microwave Background, CMB) – l'« écho » du Big Bang, les scientifiques étudient les irrégularités de densité. Ce sont ces irrégularités qui ont fini par se développer en galaxies et amas que nous voyons aujourd'hui. Les simulations informatiques de la formation de la structure de l'Univers montrent que sans matière noire, le développement de ces « graines » de densité jusqu'aux tailles actuelles serait extrêmement difficile à expliquer, voire impossible. Sans matière noire, la formation d'une structure de matière très inégale (galaxies, amas de galaxies) à partir d'un Univers primordial presque homogène serait trop lente.
2. Idée proposée : attraction commune de toute la matière
L'idée que « la matière noire pourrait n'être que l'attraction gravitationnelle mutuelle de tout ce qui existe » semble séduisante à première vue. Après tout, la gravité agit à des distances illimitées ; peu importe la distance entre deux objets dans l'Univers, ils s'attirent toujours. Si l'on imagine un nombre incalculable d'étoiles et de galaxies, leur attraction collective pourrait peut-être expliquer cette masse supplémentaire.
2.1 Attrait intuitif
1. Explication unifiée de la gravité : C'est en partie une idée unificatrice. Plutôt que d'introduire un nouveau type de matière, on pourrait affirmer que nous observons simplement l'effet collectif de la matière connue.
2. Simplicité : Beaucoup trouvent attrayant de penser qu'il n'existe que la matière baryonique (ordinaire) et rien d'autre. Peut-être n'avons-nous tout simplement pas encore pleinement apprécié la gravité collective de toute cette matière, surtout à grande échelle.
Cependant, cette hypothèse fait face à de sérieux défis lorsqu'elle est appliquée à des données d'observation précises et à des théories physiques bien établies. Voyons où les problèmes apparaissent.
3. Pourquoi la gravitation mutuelle de la matière connue n'est pas suffisante
3.1 Gravitation ordinaire contre gravitation modifiée
Les tentatives d'expliquer les phénomènes cosmiques sans matière noire relèvent souvent des théories de la "gravitation modifiée". Plutôt que d'introduire un nouveau type de matière, il est proposé de modifier les lois de la gravitation à l'échelle de l'Univers. Un des exemples les plus connus est MOND (Modified Newtonian Dynamics). MOND affirme que dans les régions de très faibles accélérations (comme aux bords des galaxies), la gravitation agit différemment de ce que prédisent Newton ou Einstein.
Si la gravitation totale de toute la matière de l'Univers était la force que nous appelons à tort matière noire, elle devrait essentiellement agir comme une version modifiée de la gravitation. Les partisans de MOND et de théories similaires tentent d'expliquer les courbes de rotation des galaxies et d'autres phénomènes. Cependant, MOND, bien qu'elle puisse convenir à certaines observations (par exemple, les courbes de rotation des galaxies), est difficilement compatible avec d'autres faits (comme les données de lentille gravitationnelle du Bullet Cluster).
Par conséquent, toute théorie affirmant que la "matière noire" est simplement due à la gravitation ordinaire de la matière visible devrait expliquer avec succès non seulement les courbes de rotation des galaxies, mais aussi la lentille gravitationnelle, les collisions d'amas et la formation de la grande structure. Jusqu'à présent, aucune théorie alternative n'a remplacé de manière exhaustive l'hypothèse de la matière noire pour correspondre à toutes les observations.
3.2 La loi de l'inverse du carré et les échelles cosmiques
La force gravitationnelle diminue avec le carré de la distance (selon la loi universelle de la gravitation de Newton). À l'échelle cosmique, il existe une attraction réelle, bien que faible, entre les galaxies lointaines, les amas et les filaments, mais cette force diminue assez rapidement avec la distance. Les données d'observation montrent que la matière visible (baryonique) seule n'est pas suffisante et qu'elle n'est pas distribuée de manière à créer les effets gravitationnels attribués à la matière noire.
Si nous essayions de rassembler toute la matière visible de l'Univers et de calculer son effet gravitationnel à différentes échelles cosmiques, il s'avérerait que nous ne pouvons toujours pas reproduire les courbes de rotation réelles des galaxies, les effets de lentille ou la vitesse de formation des structures. En termes simples, dans un Univers composé uniquement de matière baryonique, la force gravitationnelle serait trop faible pour expliquer l'effet observé.
3.3 Bullet Cluster et la répartition de la masse "disparue"
Bullet Cluster est un exemple particulièrement frappant. Lors de la collision de deux amas de galaxies, la matière ordinaire (principalement des gaz chauds) a été ralentie par l'interaction, tandis qu'une autre partie de la masse, presque non interactive (supposée être la matière noire), a réussi à traverser la collision sans ralentir. Les données de lentille gravitationnelle montrent que la majeure partie de la masse "s'est déplacée" plus loin, en retard par rapport au gaz lumineux.
Si la masse manquante était simplement expliquée par toute la matière de l'Univers, on s'attendrait à ce que la répartition de la masse corresponde davantage à la matière visible (ralentie par les gaz). Cependant, l'écart observé entre le gaz visible et la masse gravitationnellement active indique l'existence d'une matière supplémentaire n'interagissant pas électromagnétiquement – la matière noire.
4. « Gravité de toute la matière » et cosmologie
4.1 Contraintes de la nucléosynthèse du Big Bang
Dans l'Univers primitif se sont formés les éléments chimiques les plus légers – hydrogène, hélium et un peu de lithium. Ce processus s'appelle la nucléosynthèse du Big Bang (en anglais Big Bang Nucleosynthesis, BBN). L'abondance des éléments légers dépend fortement de la densité totale de la matière baryonique (ordinaire). En observant le rayonnement cosmique micro-onde de fond et en étudiant les rapports de ces éléments, on constate qu'il ne peut y avoir trop de matière baryonique dans l'Univers – sinon cela contredirait les quantités observées d'hélium ou de deutérium. En résumé, la BBN montre que la matière ordinaire représente environ 5 % du bilan énergétique et matériel de l'Univers.
4.2 Mesures du rayonnement cosmique micro-onde de fond
Les données à haute résolution obtenues par des satellites tels que COBE, WMAP et Planck ont permis aux cosmologistes de mesurer avec une précision exceptionnelle les fluctuations de température du CMB. La nature de ces fluctuations, en particulier leur spectre de puissance angulaire, permet d'estimer la densité des différents composants (matière noire, énergie noire et matière baryonique). Ces mesures concordent très bien avec un modèle cosmologique où la matière noire est un composant distinct non baryonique. Si l'effet gravitationnel actuellement attribué à la matière noire n'était que l'attraction globale de la matière visible, le spectre de puissance du CMB serait complètement différent.
5. Existe-t-il une autre façon de dire que la matière noire n'est que de la « gravité » ?
L'idée « et si la matière noire n'était en réalité qu'une imperfection des lois de la gravité ? » a conduit à diverses théories de la gravité modifiée. Elles proposent de corriger la théorie générale de la relativité d'Einstein ou la dynamique de Newton à l'échelle galactique et plus large, offrant parfois une base mathématique assez complexe. Ces théories tentent d'expliquer les courbes de rotation des galaxies et le lentillage des amas sans recourir à des particules supplémentaires invisibles.
Principaux défis des théories de la gravité modifiée :
- Ajustement : Il faut ajuster la gravité à l'échelle des galaxies, tout en restant cohérent avec les observations du système solaire et la théorie générale de la relativité, qui a été confirmée avec une grande précision par de nombreuses expériences.
- Formation de la structure : Les théories doivent expliquer non seulement les courbes de rotation des galaxies, mais aussi la formation des structures de l'Univers depuis les premiers temps jusqu'à aujourd'hui, en accord avec les observations à différentes époques.
- Effets relativistes : En modifiant la loi de la gravité, il est nécessaire de ne pas contredire des phénomènes tels que la lentille gravitationnelle ou les données du Bullet Cluster.
Bien que le modèle standard actuel de la cosmologie, « Lambda Cold Dark Matter » (en anglais ΛCDM), qui inclut matière noire et énergie noire (Λ), présente certaines limites, aucune théorie de gravité modifiée n'a encore réussi à expliquer aussi efficacement toutes les observations que le ΛCDM.
6. Conclusion
L'idée que la matière noire pourrait simplement être l'attraction gravitationnelle mutuelle de toute la matière de l'Univers est intéressante. Elle correspond au désir de trouver une explication plus simple, ne nécessitant pas la notion de nouvelle matière invisible. Essentiellement, cela résonne avec l'ancienne maxime scientifique et philosophique selon laquelle le rasoir d'Occam recommande d'éliminer les hypothèses inutiles.
Cependant, des décennies d'observations astronomiques et cosmologiques montrent que la quantité totale de matière connue ne suffit pas à expliquer le problème de la « masse manquante ». Les courbes de rotation des galaxies, les données de lentille gravitationnelle, les taux de formation de la grande structure, les mesures du fond diffus cosmologique et les contraintes de la nucléosynthèse du Big Bang suggèrent tous l'existence d'un type de matière en plus et différent de la matière ordinaire. De plus, le Bullet Cluster et des observations similaires montrent que la masse invisible se comporte différemment de la matière ordinaire (par exemple, en participant peu aux interactions autres que gravitationnelles).
Toutefois, la cosmologie est un domaine scientifique en constante évolution. De nouvelles observations – des ondes gravitationnelles aux cartes plus précises de la distribution des galaxies et à une meilleure analyse du CMB – améliorent continuellement notre compréhension. Jusqu'à présent, la majorité des données observationnelles indiquent que la matière noire existe réellement en tant que type distinct de matière non baryonique. Cependant, une ouverture d'esprit et une vigilance face aux données inattendues restent cruciales – la science progresse lorsque les hypothèses sont testées et modifiées si elles ne correspondent pas aux nouveaux faits.
Actuellement, les observations soutiennent principalement l'idée que la matière noire est un composant réel et physique. Cependant, se demander « et s'il existait une alternative ? » c'est entretenir l'esprit de curiosité scientifique, particulièrement nécessaire pour comprendre les mystères de l'Univers.
Lectures complémentaires
- Matière noire dans l'Univers – Bahcall, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- Le Bullet Cluster comme preuve contre la gravité modifiée – publications d'observations de nombreux auteurs, par exemple Clowe et al.
- Test des prédictions de la MOND – diverses études des courbes de rotation des galaxies (par exemple, les travaux de Stacy McGaugh et collaborateurs).
- Observations des paramètres cosmologiques – données des missions Planck, WMAP, COBE.