Elle constitue plus d’un quart de l’Univers, mais on ne l’a toujours pas détectée. Va-t-elle nous contraindre à réviser les lois fondamentales de la physique ? David Elbaz, astrophysicien au CEA, revient sur cette quête frustrante et ses implications.

....Avec cette approche, on a ouvert une porte sur la possibilité d’une révolution fondamentale dans notre compréhension de ce que sont l’espace et le temps. Au fond, la matière noire, c’est la cristallisation de notre incapacité à nommer l’espace-temps de façon correcte.

 

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Un vent de tempête souffle sur la physique. Lundi 26 mars, les chercheurs italiens de la collaboration DAMA ont annoncé avoir piégé dans leurs filets la particule fantôme après laquelle court toute la communauté : la matière noire. Deux jours plus tard, la revue Nature a ­annoncé qu’une équipe américaine avait observé, pour la première fois, une galaxie qui en était ­totalement dépourvue.

Pendant ce temps, les principaux détecteurs installés à travers le monde, ainsi que l’immense LHC du CERN, échouent à mettre en évidence ce qui constitue 85 % de la matière et 27 % de l’ensemble de l’Univers. Prélude à une révolution scientifique ? Astrophysicien au Commissariat à l’énergie atomique (CEA) et auteur d’A la recherche de l’Univers invisible (Odile Jacob, 2016), David Elbaz explique pourquoi la matière noire fait traverser à la physique une crise profonde.

Pourquoi a-t-on besoin de matière noire ?

La matière noire attire autant les astrophysiciens – les chercheurs de l’infiniment grand – que les physiciens des particules, ceux de l’infiniment ­petit. Le nom est venu des premiers. En 1933, un Suisse vivant aux Etats-unis, Fritz Zwicky (1898-1974), a fait des observations inattendues dans l’Univers. Il cherchait l’origine des rayons cosmiques, ces particules qui traversent la Terre et nous-mêmes à des vitesses et des énergies immenses. Il a imaginé qu’il s’agissait d’explosions d’étoiles, a ­inventé ainsi le concept de supernova, puis d’étoile à neutrons, et a voulu les observer. Sauf qu’il n’y a qu’une supernova par siècle dans notre galaxie.

Il a donc essayé de les chercher dans d’autres ­galaxies. Et c’est au cours de cette quête qu’il s’est aperçu que ces galaxies bougeaient trop vite dans les amas (1 000 km/seconde, soit près de 4 millions de km/h). Et, à cette vitesse-là, une galaxie devrait s’échapper de l’attraction de ses voisines. Une force mystérieuse maintenait donc les ­galaxies ensemble.

Comme la seule force dont on disposait à grande échelle était la gravité, il s’est dit qu’il devait y avoir un supplément de gravité. Une Dunkle ­Materie, comme il l’a appelée en allemand, de la « matière sombre ». Il a fallu des dizaines d’années pour que cette idée fasse son chemin.

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C’est seulement dans les années 1970 qu’une série d’observations et de travaux théoriques ont montré qu’on ne pouvait pas faire sans cette masse. Au niveau des galaxies elles-mêmes, cette fois, l’Américaine Vera Rubin (1928-2016) a montré que la vitesse des étoiles qui y tournaient était beaucoup trop grande pour qu’elles restent dans leur galaxie. Par exemple, le Soleil tourne à 220 km par seconde autour du centre de la Voie lactée. A cette vitesse-là, la force centrifuge aurait dû l’expulser de la Voie lactée depuis longtemps. L’attraction gravitationnelle résultant de la loi de Newton est insuffisante pour le retenir. Sauf si on rajoute de la matière dans notre galaxie. ­Depuis, d’autres observations, notamment ­celles du fond diffus cosmologique, la plus ­ancienne image de notre Univers, sont venues conforter cette hypothèse : sans matière noire, on n’aurait pas eu le moindre grumeau susceptible de former des étoiles et des galaxies.

Sauf qu’il y a deux possibilités : soit il existe une autre forme de matière, qu’on ne connaît pas, qui se trouve partout, y compris dans la salle où nous sommes, et un milliard de particules ­inconnues nous traversent à chaque seconde ; soit c’est une illusion provoquée par nos lunettes. Si j’ai du sable sur mes lunettes, je peux croire qu’il y a des rochers devant moi. Et, pour ­regarder l’Univers, il faut des lunettes, à savoir des instruments et des théories. La science ­moderne consiste donc souvent à en corriger les défauts. Mais peut-être faudrait-il tenter d’ôter nos lunettes, ou en changer.

Si la matière noire existe bien, que pourrait-elle être ?

S’il s’agit de particules, on en a exclu un grand nombre. Par exemple des particules de masse faible et se déplaçant très vite, comme les neutrinos, auraient effacé les grumeaux de la soupe primordiale. Cette matière noire dite « chaude » a été écartée. L’hypothèse qui a longtemps tenu la corde – de la matière noire froide – est celle des WIMPs, des particules massives, d’une taille de l’ordre du noyau atomique. Ce sont ces « mauviettes » – c’est le sens du mot wimp en anglais – que la plupart des détecteurs tentent de piéger. A l’autre extrémité, des astrophysiciens ont envisagé qu’il pourrait s’agir d’objets compacts, comme des trous noirs. Là encore, on a exclu des ordres de masse. Une équipe française a montré qu’une masse comprise entre un dix-millionième et dix fois celle du Soleil était écartée. Une masse supérieure à cinquante fois celle du Soleil est également impossible car ces trous noirs détruiraient alors les amas d’étoiles. Reste des trous noirs ­intermédiaires : or il se trouve que, par une drôle de coïncidence, ce sont précisément ceux qui ont été observés lors de la découverte récente des ­ondes gravitationnelles. Ça pose des difficultés, de nouvelles questions délicates, par exemple ­pourquoi l’Univers primordial aurait justement engendré des trous noirs de cette taille-là ? Un mystère… mais au point où l’on en est…

Comment cherche-t-on ces fameux WIMPs ?

Il y a trois méthodes. D’abord la détection directe. S’il y a un homme invisible dans une pièce, vous lancez des balles de tennis partout et, quand une rebondit, c’est qu’il est là. Les particules de matière noire sont invisibles, elles n’interagissent pratiquement pas avec le reste de la matière, elles ne font pas de lumière. Pour qu’on les voie, il faut qu’elles se cognent à quelque chose. On prend donc des réservoirs de matière très purifiée, enterrés pour éviter les rayons cosmiques, et on attend les chocs. Jusqu’ici, sans résultat.

Deuxième méthode, fabriquer de la matière noire, autrement dit provoquer les conditions de sa naissance dans l’Univers primordial en ­générant une quantité suffisante d’énergie. C’est ce qui se fait dans les grands accélérateurs de particules, notamment le plus grand d’entre eux, le LHC du CERN. Pour le moment, c’est aussi un échec. La troisième vient du fait que ces ­ particules pourraient s’annihiler avec elles-mêmes. Si tel était le cas, ces chocs provoqueraient un signal, par exemple des rayons gamma, que l’on essaie de capter. C’est la détection indirecte. Sauf que jusqu’ici on a toujours trouvé d’autres mécanismes pour expliquer les rayons gamma détectés.

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Ces trois techniques ont en commun qu’elles déterminent d’abord ce qu’elles cherchent. Peut-être faut-il faire autrement, essayer d’avoir la vision la plus synthétique possible. Prendre l’ensemble des observations de l’Univers et les combiner pour tenter de comprendre ce qui se passe. Cartographier la masse dans l’Univers, suivre la naissance des galaxies, etc. L’enjeu, en réalité, c’est de réconcilier l’infiniment petit et l’infiniment grand, la mécanique quantique et la relativité générale. Résoudre l’énigme de la matière noire revient sans doute à trouver le Graal des physiciens en unifiant ces deux théories fondamentales que l’on sait incompatibles. Pensez au Pont de l’épée de Lancelot du Lac. L’épée est si fine qu’elle tranche en deux tous ceux qui veulent traverser. Que fait Lancelot ? Il enlève son armure et adhère de tout son corps. Comme un escargot, capable de passer sur une lame de rasoir en épousant sa forme. Entre la mécanique quantique et la relativité, on est ­pareillement tendu entre deux infinis. Si l’on y va avec notre armure d’a priori, son poids nous tranchera. Il faut enlever l’armure.

Vous parlez d’échec, mais l’expérience DAMA/Libra, en Italie, ne vient-elle pas d’annoncer avoir détecté de la matière noire ?

C’est troublant. Ils retrouvent un résultat qu’ils avaient déjà annoncé en 1998 mais que le reste de la communauté conteste. Pour donner encore une image, ils ont laissé un micro dans une pièce vide, entendu une porte grincer, puis un objet tomber. Quelqu’un est-il entré ? Or d’autres avec une caméra infrarouge, un instrument bien plus performant, ne voient aucune image corporelle. Et si c’était un courant d’air ? On en est là. Les uns disent : « Vous avez mal vu. » Les autres : « Vous avez les mauvaises lunettes. » Or les gens de DAMA refusent de fournir leurs données, en assurant avoir eux-mêmes confirmé leur observation. Mais, si vous avez commis une erreur, vous pouvez bien vous tromper trois fois. On attend donc que d’autres reproduisent la découverte.

Si la matière noire est partout, pourquoi vient-on de découvrir une galaxie où il n’y en pas ?

Paradoxalement, un des meilleurs arguments contre l’existence de la matière noire était l’absence de galaxie sans matière noire. Le scénario de formation des galaxies, c’est qu’elles naissent à partir de puits de gravité faits par la matière noire. Mais il existe un autre mode de production, ou plutôt de reproduction, c’est quand deux galaxies fusionnent. Elles écartent alors leurs bras, et dans ces bras des grumeaux de matière classique apparaissent, qui peuvent donner naissance à des bébés galaxies… sans aucune matière noire. L’absence de détection de telles galaxies avait été mise en avant par ceux qui estiment que, plutôt que chercher l’introuvable, il faut ­modifier la théorie de la gravité.

L’absence de détection directe (si on laisse l’expérience DAMA/Libra de côté) est une information en soi. Que nous dit-elle ?

C’est une information énorme. Le Nobel de physique David Gross disait que la production la plus importante de la science, c’est l’ignorance. Mais l’ignorance qui conduit à poser les bonnes questions. Aujourd’hui, on a une production d’ignorance comme on n’en a jamais eu ! Pratiquement chaque jour, des articles sortent qui viennent rejeter nombre d’hypothèses, au point que j’ai un collègue théoricien qui m’a dit récemment :

« Je songe à prendre ma retraite parce que tout ce que j’avais commencé à envisager est mort, avant même que je soumette mes articles. »

D’habitude, un théoricien a le temps d’écrire toutes sortes de choses, même complètement folles. Avant qu’on les vérifie, cela prend des ­années. Là, tout va très vite. La communauté scientifique vit donc une crise multiple : il y a une crise du WIMP qu’on ne voit pas dans les ­ détecteurs ; il y a une crise de l’idée favorite des théoriciens, la supersymétrie, qui accompagnait le WIMP ; et il y a une crise de la théorie des ­cordes qui a besoin de la supersymétrie pour s’appliquer aux particules de matière. C’est ­typiquement le signal qui annonce un changement majeur. Et comme celui-ci concerne la gravité et que la seule conception que l’on ait de la gravité dit que ce n’est pas vraiment une force mais une propriété de l’espace et du temps, on se demande si cette crise n’est pas en train de nous amener à revoir notre conception de ­l’espace et du temps.

Est-ce que cette crise encourage ceux qui veulent amender la théorie d’Einstein ?

Oui, cela donne du crédit à ceux qui ont envie d’aller vers un regard profondément différent. On est un peu dans la même position que quand on a découvert Neptune en 1846. L’astronome français Urbain Le Verrier (1811-1877) avait vu que le mouvement d’Uranus présentait un écart par rapport à ce que l’on attendait avec la loi de la gravité de Newton. Des physiciens pensaient qu’elle ne s’appliquait plus aux confins du Système solaire et qu’il fallait la changer. Le Verrier a dit qu’il s’agissait d’une illusion induite par l’existence d’une autre planète dont il a calculé la position et qu’on a aussitôt trouvée : c’était Neptune. Le problème, c’est que, dans la recherche, rien n’est systématique. Quand Le Verrier a ensuite voulu appliquer le même raisonnement à Mercure, dont la trajectoire ne suivait pas ce que prédisait la loi de Newton, il a prévu l’existence d’une planète Vulcain… qui n’existait pas. Cette fois, il fallait changer la théorie. On est exactement dans cette tension-là.

Quelles sont les options qui se présentent pour la résoudre ?

Première possibilité, la matière noire existe mais elle est par exemple composée d’autres particules que celles qu’on a cherchées. Comme on a toujours mis beaucoup de temps à découvrir des particules de plus en plus subtiles, il est peut-être naturel que la matière noire ne soit ­détectée que dans un futur lointain. Il s’est écoulé douze ans entre la prédiction du neutron et sa découverte, vingt-six ans entre la prédiction du neutrino et sa découverte, cinquante ans entre la prédiction du boson de Higgs et sa découverte, cent ans entre la prédiction des ­ondes gravitationnelles et leur détection directe… Si on prend 1933 comme date de prédiction de la matière noire et qu’on garde ce délai d’un siècle, eh bien on peut se dire que la matière noire sera découverte en 2033 ! Il est donc tout à fait possible que le modèle actuel soit bon et que ce ne soit qu’une question de temps.

L’autre possibilité remonte à la fin des années 1990, quand on a vu que l’Univers accélérait son expansion et que, pour l’expliquer, il fallait de nouveau invoquer une énergie, l’énergie noire, qui affectait la gravité, mais dans l’autre sens. Beaucoup de physiciens se sont dit : « Là, on est en train de chercher Vulcain. Il faut nettoyer nos lunettes. » On n’a aucune preuve que ce soit vrai mais, concrètement, les chercheurs qui pensent cela sont de plus en plus nombreux. En pratique, certains estiment qu’il faut changer notre ­conception de la physique. Ed Witten, un des plus grands physiciens actuels, a dit : « L’espace-temps est peut-être maudit. » Un autre, Nathan Seiberg, a déclaré que l’espace-temps était « une illusion ». Cette deuxième voie consiste donc à dire qu’il faut changer nos lois.

Comment cela se traduit-il ?

Certains disent qu’on peut se contenter ­d’apporter une modification légère à la loi de Newton – c’est la théorie dite MOND (Modified Newtonian Dynamics). Avec cela, on explique bien la raison pour laquelle le Soleil tourne plus vite que prévu dans la galaxie car cet excès de ­ vitesse ne tient qu’à un seul paramètre. La grande force de MOND, c’est qu’en modifiant un seul paramètre on explique tout ce qui manque dans toutes les galaxies. Mais les contradicteurs expliquent que la théorie ne marche plus au ­niveau des amas de galaxies. D’autres chercheurs disent que le degré de l’illusion dans ­lequel nous sommes est bien supérieur à cela.

J’ai ainsi réalisé que la gravité n’avait jamais été testée au-dessous de 0,1 millimètre. On n’a aucun moyen de prouver qu’elle existe au-dessous de 0,1 millimètre parce que, à ces échelles, la force électro-magnétique est de 40 ordres de grandeur plus puissante que la gravité. Si bien que le Nobel de physique Gerard’t Hooft s’est demandé si la gravité n’était pas un phénomène comme la température.

Si je chauffe de l’air, je peux faire monter une montgolfière, donc je crée une force. Va-t-on dire pour autant que la force des montgolfières, avec un air chaud qui pousse un ballon, est une nouvelle force fondamentale de la physique ? Non, c’est une propriété qui émerge à grande échelle, lorsqu’un grand nombre d’atomes sont agités.

On distingue les forces fondamentales des propriétés qui émergent à grande échelle mais qui ne sont pas inscrites dans chacune des particules du ballon. Selon ce raisonnement, la gravité ne serait pas une force fondamentale de la nature mais une propriété émergente à grande échelle, qui n’existerait pas à l’échelle de l’infiniment petit. Du coup, vouloir unir les forces fondamentales avec la gravité serait voué à l’échec, ce serait une illusion totale !

Avec cette approche, on a ouvert une porte sur la possibilité d’une révolution fondamentale dans notre compréhension de ce que sont l’espace et le temps. Au fond, la matière noire, c’est la cristallisation de notre incapacité à nommer l’espace-temps de façon correcte.


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