Article réservé aux abonnésSix scientifiques belges veulent percer le plus grand mystère de la science
La mission européenne Euclid, qui a décollé ce 1er juillet, veut percer la grande énigme de l'Univers : de quoi sont faites l'énergie sombre et la matière noire, qui composeraient 95 % du cosmos mais qui nous sont invisibles ? Et au fond, ces composants hypothétiques existent-ils vraiment ? Six chercheurs belges participent.
- Publié le 01-07-2023 à 07h00
- Mis à jour le 01-07-2023 à 19h52
"Mais de quoi est fait l'Univers ?" Pour la revue scientifique Science, c'est la plus grande des questions à résoudre dans le domaine des sciences, toutes disciplines confondues. C'est aussi la mission que se sont fixés les scientifiques du consortium Euclid. Les chercheurs qui travailleront sur cette mission spatiale qui a décollé avec succès ce samedi 1er juillet à 17 h 12 depuis la Floride, ont pour objectif d'éclaircir "deux des plus grandes énigmes sur l'Univers", qui torturent les astrophysiciens depuis des décennies et qui rend incompréhensible 95 % de ce qui nous entoure : de quoi sont constituées la matière noire et l'énergie noire ? Avec cette question subsidiaire : au fond, existent-elles vraiment ?
"Ensemble, l'énergie noire et la matière représentent en effet 95 % du contenu de l'univers aujourd'hui. Donc, en essayant de les comprendre, on essaye de comprendre l'essentiel de l'univers ! Ces 95 % nous sont invisibles aujourd'hui, même si on en ressent indirectement les effets et qu'on peut observer ceux-ci, résume l'astrophysicien Sébastien Clesse (ULB), qui fait partie des six scientifiques belges permanents membres du consortium Euclid, qui ont préparé la mission et analyseront les données fournies par le télescope. L'énergie noire et la matière noire montrent qu'en fait notre compréhension du monde est totalement imparfaite. On a l'impression, dans un laboratoire, qu'on comprend tout de la physique, mais dès qu'on regarde l'Univers, on se rend compte que non, pas du tout ! On ne comprend – et encore – que les 5 % de la matière ordinaire, visible. Il nous manque encore 95 % de l'Univers !"
Les traces de ces hypothétiques "ingrédients mystères" de l'Univers sont pourtant détectées à travers tout le cosmos. On ne peut donc que postuler leur existence, même si n'émettant ni absorbant la lumière, ils sont indétectables par nos instruments. Ainsi, la matière noire, avec son effet d'attraction, est le ciment qui empêche les étoiles de se disperser dans l'Univers ; elle joue aussi un rôle clé dans la formation des galaxies. À l'inverse, l'énergie sombre est la force répulsive responsable de l'expansion accélérée de l'Univers, qui fait que les galaxies s'éloignent les unes des autres à une vitesse exponentielle. "On sait que c'est là, mais on ne sait pas ce que c'est", résume André Fuzfa, cosmologiste de l'université de Namur, à l'origine de la participation belge à ce projet mené par l'Esa, l'agence spatiale européenne. "On va chercher à comprendre les effets de ces éléments sur la distribution des galaxies depuis des milliards d'années".
Le télescope spatial Euclid aura en effet la capacité de cartographier en détail les galaxies de l'Univers. Euclid, en observant des milliards de ces galaxies sur un tiers du ciel, permettra ainsi de remonter l'histoire de l'Univers environ 10 milliards d'années en arrière. Plus précisément, il pourra observer et décrire comment les galaxies se sont distribuées sur d'immenses distances et se sont éloignées l'une de l'autre, comment elles se sont structurées… Et donc nous en apprendre plus sur les propriétés de la matière noire et de l'énergie sombre, puisque celles-ci sont a priori à l'origine de ces différents effets. L'ambition est de déterminer de quoi sont faites l'énergie sombre et la matière noire, en excluant ou identifiant certains des composants-candidats proposés par les scientifiques. Chaque candidat – et ils sont nombreux – se "comportent" en effet différemment et n'aboutirait pas forcément à l'Univers observé…
Les données seront publiques et serviront "pour au moins une génération de scientifiques", se réjouit déjà André Fuzfa.
La matière noire, force d'attraction
"La matière noire constitue 27 % de l'Univers. Cela fait déjà des dizaines d'années qu'on l'a mise en évidence, notamment lorsqu'on regarde comment tournent les étoiles dans les galaxies, détaille Sébastien Clesse, membre belge du consortium Euclid. La matière noire a un effet d'attraction, gravitationnel, puisqu'elle se comporte comme la matière ordinaire, sauf qu'elle est invisible. Son action dans l'Univers va être de "sourcer" les galaxies, de faire en sorte qu'on soit passé d'un Univers très homogène avec d'infimes fluctuations à un Univers où les galaxies ont pu se former. Pour former les premières galaxies, de grands filaments de galaxies et les amas galactiques tels qu'ils sont observés, la matière noire est vraiment l'ingrédient essentiel."
Depuis toutes ces années, les scientifiques ont émis des théories sur ce qui pouvait constituer cette mystérieuse matière noire. Il y a désormais plusieurs candidats : la matière noire pourrait tout d'abord être faite de nouvelles particules. Les fameuses Wimps, weakly interactive massive particles ou particules massives interagissant faiblement, dont l'existence est donc supposée, ont été très à la mode jusque dans les années 2010. Problème : on ne les a pas trouvées dans les détecteurs construits spécialement, comme celui du Gran Sasso en Italie.
D'autres modèles sont à présent évoqués, comme celui des trous noirs : "Je travaille beaucoup sur l'idée des trous noirs primordiaux, des trous noirs qui se seraient formés une milliseconde après le Big Bang et qui pourraient remplir l'Univers, explique Sébastien Clesse. Comme un trou noir est totalement invisible tant qu'il n'attire pas de la matière autour de lui, il pourrait remplir le job d'expliquer la matière noire dans l'Univers." Avec ses collègues de l'Université de Gand, Maarten Baes et Steven De Rijcke, il étudiera les modèles de trous noirs primordiaux afin de voir si la matière noire présente dans les galaxies répond aux propriétés de ces modèles.
Enfin, troisième hypothèse, qui a moins la cote dans la communauté scientifique et plus radicale : peut-être n'est-ce pas un nouvel ingrédient dont l'on a besoin pour expliquer la matière noire, mais de modifier les lois de la physique, en particulier celle de la gravitation d'Einstein. "Dans cette modification, la gravitation, à certaines échelles, attirerait davantage les choses qu'on ne le pense, et cela pourrait expliquer les observations. Dans ce cas-là, la matière noire n'existerait pas !"
L'Université de Liège utilisera un outil particulier pour observer indirectement cette matière noire. Dominique Sluse et ses collègues vont observer à la loupe des quasars, cœurs de galaxies extrêmement lumineux et lointains. Ils tenteront d'observer les cas où l'image de ces quasars est déformée de manière très forte par de la matière noire située entre nous et eux. Les rayons lumineux des quasars étant déviés par la matière noire, les scientifiques liégeois pourront en savoir plus sur celle-ci. "On pourra sonder les propriétés et la granularité de la matière noire dans les galaxies et mieux mesurer le taux d'expansion de l'univers", explique le Pr Sluse.
L'énergie noire, force répulsive
L'idée de l'énergie noire (68 % de l'Univers), elle, est apparue avec la découverte en 1998 que l'Univers était en expansion accélérée. Elle a été imaginée comme cette force répulsive qui permet d'expliquer, qu'à très grande échelle, les galaxies s'éloignent les unes des autres, à une vitesse exponentielle. Là encore, il y a trois scénarios : le premier suggère que l'énergie sombre s'expliquerait par une nouvelle particule comparable au Boson de Brout-Englert-Higgs, qui permettrait de générer une nouvelle interaction fondamentale de la nature – à côté de l'électromagnétisme, des interactions nucléaires et de la gravitation – et qui produirait cette expansion.
Deuxième possibilité : l'énergie sombre n'existe pas. Première option, il faut revoir, comme dans le cas de la matière noire, les lois de la gravitation d'Einstein, qui indiqueraient alors, dans cette modification de la gravitation, qu'à très grande échelle, les galaxies ne s'attirent pas mais s'éloignent de plus en plus vite. À l'Université de Namur, le cosmologiste André Fuzfa, qui a étudié ces modèles de modification de la gravité pourra tester leur validité grâce aux données d'Euclid.
Deuxième option, on peut "simplement" invoquer la "constante cosmologique" d'Einstein, que le savant avait au départ intégrée dans son modèle pour qu'il corresponde à un Univers statique – sa "plus grande erreur". Il s'agirait ici en gros d'un terme mathématique à intégrer dans l'équation, qui ne renverrait pas forcément à un composant existant dans la réalité du cosmos. Ou alors à l'énergie du vide, ce qui correspond à "rien" dans l'Univers.
"Et je rajouterais bien une dernière catégorie, relève Sébastien Clesse. Qu'en fait, on ne comprend pas encore assez bien les détails des équations et de l'évolution de l'Univers. On a l'impression qu'on a besoin de l'énergie sombre, mais en fait, peut-être qu'avec le contenu en matière noire et en matière ordinaire dans l'Univers, cela peut tout à fait marcher. Il y a aussi quelques modèles en ce sens."
À noter que les scientifiques espèrent aussi en découvrir davantage sur les premiers moments après le Big Bang, donc au tout début de l'Univers, effort auquel Christophe Ringeval, de l'UCLouvain, va participer.
