L’idée d’une mystérieuse matière noire (à ne pas confondre avec l’énergie noire) a été proposée dans les années 1930, car la matière ordinaire, c’est-à-dire les étoiles, le gaz et les poussières interstellaires, ne pouvait pas expliquer certains mouvements célestes étudiés à l’époque.

Ainsi, l‘astronome néerlandais Jan Oort, qui étudiait le mouvement des étoiles autour du centre de la Galaxie, montra que la force gravitationnelle de la matière visible était trop faible à elle seule pour maintenir la Galaxie dans sa forme actuelle. L’astronome suisse Fritz Zwicky s’intéressa lui aux amas de galaxies et montra de même que le mouvement des galaxies dans un amas ne pouvait s’expliquer que si ces amas étaient dominés par une masse invisible à nos télescopes dont la gravité empêchait les amas de se désintégrer.

La présence d’une matière noire à toutes les échelles a été maintes fois confirmée par les observations. Pour ne citer qu’un exemple plus récent et à une échelle plus grande, le satellite WMAP a observé en 2003 le rayonnement fossile, un vestige du Big Bang, et a déterminé que l’Univers dans son ensemble doit contenir cinq fois plus de matière noire que de matière visible.

Une vue d’artiste du halo de matière noire autour de la Galaxie. Crédit : ESO/L. Calçada

Un manque de matière noire autour du Soleil

Un résultat publié en avril 2012 a donc pris la communauté scientifique par surprise. Le but de cette étude était de mesurer la densité de matière noire dans le voisinage du Soleil. L’analyse s’est portée sur un échantillon de 412 géantes rouges situées dans un cône de 15 degrés dans la direction du pôle galactique sud jusqu’à une distance de 13.000 années-lumière, un volume quatre fois supérieur aux études précédentes. Les observations se sont principalement déroulées au télescope de 2,2 mètres de diamètre de l’ESO à La Silla au Chili.

Une analyse très précise du mouvement de ces étoiles et l’application des lois de la dynamique stellaire permettent de déduire la densité totale de matière dans cette zone proche du Soleil. Les astronomes s’attendaient à trouver une différence très nette entre la masse totale mesurée et la masse des constituants visibles. Surprise, la masse totale déterminée par les observations est plus ou moins égale à la masse des constituants visibles. Il ne semble donc pas y avoir de matière noire dans notre petite région de la Voie Lactée, en tout cas moins d’un dixième de la quantité prévue par les modèles actuels.

Notons que si ces observations n’ont pas trouvé de matière noire dans cette zone précise, elle ne rejette pas l’idée d’une masse manquante. En fait, extrapolée au niveau de toute la Galaxie, la densité de matière déterminée par cette étude ne serait pas capable d’expliquer à elle seule le mouvement de révolution du Soleil autour du centre galactique.

Les conséquences de cette étude

Ces observations semblent donc incompatibles avec les modèles standards qui décrivent la Galaxie comme étant placée dans un halo de matière noire. Quelle explication donner à ce résultat ?

Une solution possible serait d’envisager un halo non sphérique et allongé perpendiculairement au plan de la Galaxie, qui ne s’étendrait donc pas jusqu’au voisinage solaire, mais ce genre de forme serait difficile à expliquer dans les modèles théoriques. Une autre possibilité est que le halo n’est pas homogène et que le Soleil se trouve par hasard dans une zone de faible densité. Cette hypothèse ne peut pas être rejetée d’office, mais elle est quand même très suspecte.

Evidemment, on peut aussi remettre en cause l’étude elle-même, puisqu’elle repose sur des observations indirectes et des hypothèses de base qui pourraient être incorrectes. Elle pourrait également être entachée d’erreurs statistiques plus significatives que celles présentées par les auteurs.

Comme toujours en science, plus d’observations sont à prévoir pour répondre à ces questions. On pense en particulier à la mission Gaia qui va mesurer avec précision la position et la vitesse d’un milliard d’étoiles de la Voie Lactée. En tout cas, si ce résultat est correct, il ne présage rien de bon pour les expériences qui essayent de détecter la matière noire directement dans des laboratoires terrestres comme par exemple au Gran Sasso. Il explique peut-être pourquoi il n’y a toujours pas encore de détection confirmée dans ces nombreuses expériences.