Publié le 12 janvier 2024 10h33. Une équipe internationale d’astrophysiciens, menée par un chercheur argentin, a découvert un nuage de gaz dominé par la matière noire, offrant une opportunité unique d’étudier l’un des plus grands mystères de l’univers : la nature de cette substance invisible qui constitue la majorité de la masse de l’univers.
- La découverte de Nuage-9, un nuage de gaz sans étoiles, permet d’observer directement l’influence de la matière noire, contrairement aux observations indirectes habituelles.
- Plus de 85 % de la matière de l’univers est constituée de matière noire, mais sa composition reste inconnue.
- Cette découverte, réalisée grâce au télescope spatial Hubble, ouvre une nouvelle fenêtre pour tester les théories sur la formation des galaxies.
Depuis des décennies, l’astronomie s’appuie sur l’observation de la lumière émise par les étoiles et les galaxies pour percer les secrets du cosmos. Cependant, une part cruciale de l’histoire de l’univers se déroule dans l’obscurité, là où la lumière ne parvient pas à atteindre nos télescopes. Dans ces régions invisibles, une substance insaisissable, la matière noire, exerce une influence gravitationnelle déterminante sur la structure de l’univers, sans émettre de lumière ni former d’étoiles.
Les scientifiques estiment aujourd’hui que la matière noire représente plus de 85 % de la matière totale de l’univers. Malgré cette prédominance, sa nature exacte demeure l’une des énigmes les plus persistantes de la physique moderne. Jusqu’à présent, les astronomes ont dû se contenter d’étudier ses effets indirects, tels que la rotation des galaxies ou les traces qu’elle a laissées dans l’univers primitif. L’observation directe de structures dominées presque exclusivement par la matière noire, sans la présence d’étoiles ou de galaxies lumineuses, était un défi majeur.
Cette situation a changé avec la découverte de Nuage-9, un nuage de gaz dépourvu d’étoiles et dominé par la matière noire. L’observation a été réalisée grâce au télescope spatial Hubble, comme l’a récemment annoncé la NASA. Publiée dans la revue The Astrophysical Journal Letters, cette découverte constitue la première détection confirmée d’un objet de ce type et offre une occasion sans précédent de tester les modèles actuels de formation des galaxies.
Derrière cette avancée scientifique se cache une forte contribution argentine. Le chercheur principal est Alejandro Benítez-Llambay, astrophysicien né à Jujuy, formé à l’Université Nationale de Cordoue et aujourd’hui professeur et chercheur à l’Université de Milan-Bicocca, en Italie. Spécialiste en astrophysique computationnelle, Benítez-Llambay combine observations et simulations numériques pour étudier l’influence de la matière noire sur l’univers, même à des échelles où les étoiles ne brillent pas.
Nuage-9 représente bien plus qu’un simple nouvel objet astronomique. C’est une nouvelle façon d’observer l’univers, en se concentrant sur ce qui ne brille pas, sur ce qui n’a pas évolué en galaxie, sur les structures restées en suspens. Pour la science – et pour l’Argentine – cette découverte n’est pas seulement une avancée, mais aussi une fenêtre inédite sur la partie la moins visible du cosmos.
– Pour commencer, pouvez-vous nous expliquer ce qu’est la matière noire et pourquoi on sait qu’elle existe alors qu’on ne peut pas la voir ?
« La matière noire est un composant fondamental de l’univers car elle fournit la gravité nécessaire à la formation de toutes les structures que nous observons. Nous l’appelons “sombre” parce qu’elle n’interagit pas avec les rayonnements comme la matière ordinaire, qui forme les étoiles, les planètes et les êtres humains. Mais nous savons qu’elle existe parce que nous pouvons mesurer ses effets gravitationnels. Nous les observons, par exemple, dans la façon dont les galaxies tournent, dans le mouvement des galaxies satellites ou dans les traces laissées dans le fond diffus cosmologique, qui montre à quoi ressemblait l’univers environ 300 000 ans après le Big Bang. Même si nous ne savons pas exactement de quoi elle est constituée, sa présence est essentielle pour expliquer l’univers que nous observons. »
Alejandro Benítez-Llambay, astrophysicien
– Quelle proportion de l’univers représente-t-elle par rapport à la matière “normale” ?
« Nous savons qu’elle constitue plus de 85 % de toute la matière gravitationnelle de l’univers. La matière ordinaire, à partir de laquelle sont fabriqués tous les objets que nous connaissons, ne représente que 15 %. Cette différence explique pourquoi étudier uniquement le visible peut introduire des biais importants. Nous examinons une petite fraction de l’ensemble du système. »
Alejandro Benítez-Llambay, astrophysicien
– Pourquoi la compréhension de la matière noire est-elle essentielle pour expliquer la formation des galaxies et de la structure de l’univers ?
« Parce qu’un seul composant qui interagit avec la matière ordinaire uniquement par la gravité peut expliquer des phénomènes qui se produisent à des échelles très différentes. De la raison pour laquelle les galaxies tournent à certaines vitesses, à la raison pour laquelle les amas de galaxies restent ensemble ou à la raison pour laquelle la matière de l’univers est distribuée selon une structure en réseau, ce qu’on appelle la toile cosmique. De plus, la matière noire contribue à expliquer les fluctuations de température du fond de rayonnement cosmique, c’est-à-dire la manière dont le gaz était distribué lorsque l’univers était extrêmement jeune. Le fait que le même modèle explique à la fois l’univers primitif et actuel est, pour moi, extraordinaire. »
Alejandro Benítez-Llambay, astrophysicien
– Pendant des décennies, l’astronomie s’est basée sur l’observation d’étoiles et de galaxies brillantes. Quelles sont les limites de cette approche ?
« C’est toujours l’outil principal, mais il a des limites évidentes. Si plus de 85 % de la matière est sombre et que l’on déduit ses propriétés uniquement en étudiant les 15 % restants, on introduit inévitablement des biais. Les simulations numériques nous ont beaucoup aidés à cet égard. En incluant la matière noire et la matière ordinaire, nous pouvons comprendre comment elles interagissent et quels observables nous permettent de corriger ces distorsions. De plus, nous étudions aujourd’hui l’univers à de nombreuses longueurs d’onde, et pas seulement à la lumière visible. Chaque fenêtre nous montre différents processus. »
Alejandro Benítez-Llambay, astrophysicien
– Qu’est-ce qui change lorsque nous commençons à étudier l’univers à travers le gaz et pas seulement la lumière ?
« Cela change l’échelle à laquelle nous pouvons observer. Le gaz s’étend généralement bien au-delà de la partie visible des galaxies, permettant d’étudier directement l’influence de la matière noire. Dans les amas de galaxies, par exemple, le gaz est si chaud qu’il émet des rayons X, et la seule façon d’expliquer cette température est par la gravité d’énormes quantités de matière noire. Dans le cas de Nuage-9, puisqu’il n’y a pas d’étoiles, le gaz est le seul moyen de déduire la présence et la répartition de la matière noire. »
Alejandro Benítez-Llambay, astrophysicien
– Vous décrivez Nuage-9 comme une “galaxie en faillite”. Qu’est-ce qui n’a pas fonctionné dans sa formation ?
« Ce qui n’a pas fonctionné, c’est l’allumage du processus de formation des étoiles. Le halo de matière noire de Nuage-9 a une masse très proche de la masse critique nécessaire pour former une galaxie, mais nous pensons qu’il s’est formé trop tard. Lorsque d’autres halos similaires formaient déjà des étoiles, le gaz dans l’univers était plus chaud et sa pression si élevée que la gravité de Nuage-9 n’a pas pu le capturer. Statistiquement, des systèmes comme celui-ci sont très rares, ce qui rend leur recherche très intéressante. »
Alejandro Benítez-Llambay, astrophysicien
– Le télescope spatial Hubble a joué un rôle clé pour confirmer qu’il n’y avait pas d’étoiles. Comment accéder à un instrument aussi convoité ?
« Chaque année, un appel public est ouvert dans le monde entier pour envoyer des propositions d’observation. Les propositions sont anonymes et évaluées par des pairs, chacune est lue par plusieurs évaluateurs experts du monde entier, qui la notent selon différents critères scientifiques. Les meilleures passent à une deuxième étape, où un comité thématique décide quels projets seront approuvés. Il y a ensuite une évaluation technique pour vérifier que l’observation est réalisable et, si tout est en ordre, elle est planifiée et exécutée. Il s’agit d’un instrument dont la demande est bien supérieure à sa disponibilité, c’est pourquoi seules les propositions présentant le plus grand potentiel de retour scientifique sont approuvées. Il n’y a pas d’accord préalable avec la NASA, si la proposition est solide et convaincante, vous avez le temps. »
Alejandro Benítez-Llambay, astrophysicien
– Pourquoi le fait que Nuage-9 n’ait pas d’étoiles est-il en fait la preuve la plus solide qu’il s’agit d’un nouvel objet ?
« Parce que trouver une galaxie faible aurait été intéressant, mais pas nouveau. En revanche, ne trouver aucune étoile renforce l’idée qu’il s’agit d’un RELHIC, c’est-à-dire un nuage de gaz limité par la réionisation, logé dans un halo de matière noire. Ces objets étaient des prédictions issues de simulations numériques que nous avions réalisées il y a des années, mais n’avaient jamais été observés. Le fait que Nuage-9 réponde à toutes ces propriétés en fait une étape scientifique importante et ouvre la possibilité d’étudier, pour la première fois directement, des structures presque entièrement dominées par la matière noire. »
Alejandro Benítez-Llambay, astrophysicien
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