A t'on observé la matière noire ?

Le modèle de la matière noire froide semblait à la veille d’une crise il y a quelques mois. Elle a vite été résolue et la première observation d’un filament de matière noire connectant deux amas de galaxies, Abell 222 et Abell 223, apparaît comme un nouveau triomphe du modèle cosmologique standard. De tels filaments sont en effet prédits depuis longtemps.

L’univers semble bel et bien rempli de matière noire et d’énergie noire. Bien que le dernier mot n'ait pas encore été dit en ce qui concerne des alternatives à ces hypothèses basées sur des modifications des lois de la gravitation, en particulier avec Mond, la matière noire reste pour le moment un ingrédient fondamental dans la recette permettant de faire naître les galaxies et les amas de galaxies que l’on observe aujourd’hui.

Mais ses caractéristiques sont encore mal comprises, même si on peut l’étudier en observant les structures à grandes échelles que forment les différents types de galaxies et les amas de galaxies.

En effet, on sait que selon la masse des particules de matière noire, les galaxies se forment avant les grandes structures, ou inversement. Si les particules de la matière noire avaient été des neutrinos, dont on sait que les masses sont faibles, les grandes structures en forme de bulles et de filaments de matière seraient apparues en premier. Les étoiles et les galaxies se seraient ensuite formées dans ces structures par effondrement gravitationnel.

Dans l’univers observable, nous constatons l’inverse. Les étoiles et les galaxies précédent dans l'histoire du cosmos les amas de galaxies, lesquels forment finalement des superamas constituant des bulles et des filaments. Il faut donc faire intervenir des particules massives qui se comportent comme un gaz de particules froid. C’est le modèle de la matière noire froide.

Si les neutrinos avaient été un peu plus massifs, tout en restant légers, et que les observations concernant les grandes structures avaient été différentes, on utiliserait alors le modèle de la matière noire chaude car le gaz de neutrinos se comporterait comme un gaz de particules chaud.

Il n’est pas exclu qu’un peu de matière noire chaude soit nécessaire en plus de la matière noire froide. On parle alors de modèle de matière noire tiède.

Pour mieux comprendre la formation des galaxies et des grandes structures dans l’univers observable, on réalise des simulations numériques depuis des décennies. Après la découverte de l’énergie noire en 1998, celle-ci est entrée dans la danse et l’on en tient compte dans des simulations comme celle de Deus.

Le modèle de la matière noire froide complétée avec de l’énergie noire rend particulièrement bien compte des observations à grandes échelles, même si on ne peut pas en dire autant de celle des galaxies. Il prédit que des filaments de matière noire froide se sont formés dans lesquels les amas de galaxies et la matière baryonique normale sont en train de tomber. Mais jusqu’à présent, seuls les filaments de matière baryonique, c'est-à-dire des amas de galaxies bien visibles, étaient observés. Les filaments de matière noire, eux, n’étaient pas détectés de façon irréfutable. Comme l’explique un article publié dans Nature, cela vient de changer.

Un groupe d’astrophysiciens et de cosmologistes a utilisé le fameux effet de lentille gravitationnelle faible pour débusquer un de ces filaments de matière noire froide prédit par la théorie. Un tel filament s’étendant entre les amas de galaxies Abell 222 et Abell 223 dévie en effet la lumière le traversant sous l’effet du champ de gravitation de la matière noire. En produisant des déformations caractéristiques des images des galaxies d’autant plus importantes qu’il y a de la matière noire, il permet de détecter la présence de cette matière invisible mais aussi d’estimer les quantités présentes.

On peut compléter ces observations avec des mesures faites dans le domaine des rayons X. C’est ce qui a été effectué avec le satellite XMM-Newton. Un plasma de matière normale chaude se trouve aussi piégé, comme dans les amas de galaxies, dans les filaments. Dans le cas présent, la comparaison des mesures a permis d’estimer que 90 %, au moins, de la masse présente dans le filament était de matière noire.

C’est une preuve de plus en faveur de l’existence de la matière noire. On pense que des filaments similaires se trouveraient même dans les amas de galaxies, guidant des courants de matière normale et faisant croître des galaxies autrement que par des collisions et des fusions galactiques.