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La matière noire, plus ancienne que le big bang?

Représentation artistique de l'Univers.

Représentation artistique du big bang et de l'Univers naissant.

Photo : Agence spatiale européenne

Alain Labelle
Mis à jour le 

Une nouvelle théorie selon laquelle la matière noire serait apparue avant le big bang formateur de l’Univers est avancée par des astrophysiciens américains, qui pensent aussi avoir trouvé une façon de la détecter.

La matière noire, qui composerait environ le quart de l’Univers, est certainement l'un des mystères les plus insaisissables de la physique.

L'Univers décomposé

À ce jour, l’humanité n’a observé qu’une infime partie de l’Univers : la matière visible (ou ordinaire). Celle-ci comprend les gaz et les éléments plus lourds, comme le fer, qui constituent les objets célestes tels que les étoiles et les planètes. Elle ne représente pourtant que 5 % de la composition de l’Univers.

Il existerait une autre forme de matière, selon la vaste majorité des astrophysiciens, qui formerait une toile cosmique entre les objets célestes, grands et petits.

Si plusieurs indices observationnels tendent aujourd’hui à conforter son existence, cette matière noire, dont l’influence gravitationnelle mènerait aussi à la formation des grandes structures de l’Univers, reste à observer. Elle composerait 27 % de l’Univers.

Une représentation du Big Bang

Une représentation du big bang

Photo : NASA

Puisqu’aucune des propriétés prédites dans les modèles n’a encore été mesurée, certains scientifiques préfèrent la décrire comme une masse manquante dont l’abondance et la répartition restent à déterminer.

Le saviez-vous?

Il existerait aussi de l’énergie noire dans l’Univers. Encore une fois, il s’agit d’une théorie puisque celle-ci n’a toujours pas été observée. Elle constituerait un peu moins de 70 % de l’Univers, et elle expliquerait diverses observations astrophysiques, notamment l'accélération de l'expansion de l'Univers.

Repenser le big bang

L’astrophysicien Tommi Tenkanen et ses collègues de l’Université Johns Hopkins ont créé un nouveau modèle mathématique qui laisse à penser que la matière noire serait apparue en quelques fractions de seconde, juste avant le big bang, au moment de l'inflation cosmique durant laquelle l'espace commençait sa rapide expansion.

Cette théorie va à l'encontre de celle généralement admise selon laquelle cette inflation se serait produite quelques secondes après le big bang.

Nos travaux révèlent un nouveau lien entre la physique des particules et l'astronomie.

Tommi Tenkanen

Si la matière noire se compose de particules inconnues nées avant le big bang, celles-ci influencent certainement la façon dont les galaxies sont réparties dans l’espace d'une manière unique. Ce lien peut être utilisé pour révéler leur identité et tirer des conclusions sur l'époque qui a précédé le big bang, explique le scientifique.

À l’heure actuelle, les astronomes estiment que les effets de gravitation de la matière noire façonnent les déplacements et la distribution de la matière visible dans l'espace.

Depuis bon nombre d’années, donc, les astrophysiciens pensaient que la matière noire était une substance résiduelle du big bang, malgré le fait que toutes les recherches expérimentales pour le montrer aient échoué.

Si la matière noire était vraiment un vestige du big bang, les chercheurs auraient dû en détecter des signaux directs dans différentes expériences de physique des particules.

Tommi Tenkanen

La matière noire aurait ainsi été présente avant le reste de la matière contenue dans l’Univers naissant.

L'inflation cosmique aurait conduit à la production abondante d'un nouveau type de particules appelées scalaires. Jusqu'à présent, une seule particule de ce type a été découverte, le boson de Higgs. Ces particules possèdent un spin nul. En physique quantique, le spin est l’une des propriétés des particules, telles que la masse et la charge électrique.

Nous ne savons pas ce qu'est la matière noire, mais si elle a quelque chose à voir avec des particules scalaires, elle pourrait être plus vieille que le big bang.

Tommi Tenkanen

Avec notre scénario mathématique, nous n'avons pas à supposer de nouveaux types d'interactions entre la matière visible et la matière sombre au-delà de la gravité, dont nous connaissons déjà l'existence, explique Tommi Tenkanen.

Un concept déjà connu

Si l'idée selon laquelle la matière noire existait avant le big bang n'est pas nouvelle, personne n’avait été en mesure de réaliser des calculs qui appuient cette idée.

Les chercheurs ont toujours négligé le scénario mathématique le plus simple possible pour les origines de la matière noire.

Tommi Tenkanen

Ces travaux suggèrent également un moyen de découvrir l'origine de la matière noire en observant les signatures de la présence de la matière noire dans la distribution de la matière de l'Univers.

Bientôt des réponses

Toutes ces questions pourraient trouver des réponses à l’horizon 2022 avec la mise en orbite du télescope spatial Euclide par l’Agence spatiale européenne.

Représentation du télescope spatial Euclide dans l'espace.

Représentation du télescope spatial Euclide

Photo : ESA

Cette mission d’au moins 7 ans a pour objectif d'étudier l'Univers avec une extrême précision en cartographiant la distribution et l'évolution de la matière noire et de l’énergie noire.

Le détail des présents travaux est publié dans les Physical review letters (Nouvelle fenêtre) (en anglais).

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