27 Janvier 2020  |  Astrophysique
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 11/2019

Les candidats à la matière noire – les hypothèses alternatives

Michel Giannoni

Nous avons présenté dans le numéro précédent de La Revue POLYTECHNIQUE, l’état actuel de la recherche de particules inconnues capables d’expliquer pourquoi la masse des galaxies mesurée grâce aux effets gravitationnels qu’elles engendrent, ne correspond pas à la masse calculée selon les lois de Newton. Bien que depuis près d’un demi-siècle, les indices de la présence d’une matière invisible dans le cosmos s’accumulent, aucune expérience n’a encore réussi à détecter ses particules. Cet article présente des théories alternatives à l’existence de cette hypothétique matière noire.

Les résultats négatifs enregistrés récemment par la collaboration XENON-1T du Gran Sasso ainsi que par une équipe chinoise, semblent éliminer les variantes les plus simples et les plus élégantes du modèle des WIMP – ces particules hypothétiques interagissant faiblement avec la matière –, bien que celles-ci figurent parmi les meilleurs candidats à la matière noire. Même si de nouveaux détecteurs plus sensibles sont en cours de développement, des théories alternatives à celles postulant l’existence de matière noire suscitent un regain d’intérêt parmi les astrophysiciens.
 
La composition de l’Univers selon le modèle de la matière noire et de l’énergie sombre.
 
 
La théorie MOND – une modification des lois de la gravité
Au début des années quatre-vingt, le physicien israélien Mordehai Milgrom proposa une modification de la loi de la gravitation pour expliquer la rotation des galaxies. Il développa ainsi la théorie MOND (Modified Newtonian Dynamics), selon laquelle, en dessous d’un certain seuil, l’accélération due à l’attraction gravitationnelle diminuerait moins vite que le prévoit la loi de Newton. Ce seuil extrêmement faible, de l’ordre de 1011 fois inférieur à la gravité terrestre, serait compatible avec l’accélération que subissent les étoiles situées à la périphérie des galaxies.
Ces étoiles subiraient donc une attraction gravitationnelle supérieure à ce que prédisent les lois de Newton, ce qui expliquerait, sans avoir recours à la matière noire, pourquoi elles ne sont pas éjectées de leur galaxie. Néanmoins, contrairement au modèle standard, la théorie MOND n’explique pas les observations du fond diffus cosmologique, ce rayonnement fossile très homogène observé dans toutes les directions du ciel, qui a été émis quelque 380’000 ans après le Big Bang et dont on possède une carte très détaillée grâce au satellite Planck. La théorie MOND n’explique pas non plus les grandes structures de l’Univers, telles que les amas de galaxies. En revanche, le modèle standard de la cosmologie, associant la matière noire et l’énergie sombre, correspond parfaitement aux observations du fond diffus cosmologique.
 
Vue allégorique de l’Univers et de la matière noire. (© Lynette COOK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/COSMOS)
 
 
Une matière noire superfluide
Certains physiciens ont développé une approche intermédiaire entre le modèle de matière noire et celui de la modification de la loi de la gravitation. Selon cette théorie, qui implique l’existence d’une matière superfluide, les particules de matière noire créeraient une force qui s’ajouterait à la force de gravité de Newton pour créer une gravité modifiée.
Cette nouvelle force ne serait pas une interaction fondamentale, à l’instar des forces électromagnétique, nucléaire forte, nucléaire faible et de gravitation, mais une force émergente causée par une matière noire se comportant comme un superfluide, c’est-à-dire s’écoulant sans frottement.
On connaît déjà les condensats de Bose-Einstein – un état de la matière prédit par Einstein en 1925, dans lequel des bosons condensent dans un nouvel état de la matière à une température suffisamment basse –, mais il n’existe à l’heure actuelle aucun candidat à la matière noire pouvant former un condensat superfluide.
 
L’invariance d’échelle du vide
En 2017, André Maeder, professeur honoraire au Département d’astronomie de la Faculté des sciences de l’Université de Genève, proposa de prendre en compte une nouvelle hypothèse dite de « l’invariance d’échelle du vide », à savoir que les propriétés du vide ne sont pas modifiées suite à une dilatation ou une contraction.
Il faut savoir que le vide joue un rôle essentiel dans les équations d’Einstein, en intervenant dans une grandeur nommée constante cosmologique et dont dépend le modèle d’Univers qui en découle. En se basant sur l’hypothèse d’invariance d’échelle du vide, André Maeder reconsidère le modèle actuel de l’Univers en rappelant que cette invariance est aussi présente dans la théorie fondamentale de l’électromagnétisme. Selon lui, le modèle communément admis du Big Bang suivi d’une expansion, qui fait appel à la matière noire et à l’énergie noire, ne tiendrait pas compte de l’invariance d’échelle du vide.
La loi de Newton – qui est un cas particulier des équations de la relativité générale – se trouverait alors légèrement modifiée dans l’hypothèse d’invariance d’échelle du vide. Elle contiendrait un très petit terme d’accélération, particulièrement significatif aux faibles densités. Appliquée aux amas de galaxies, cette loi modifiée prévoit l’existence de masses en accord avec celles de la matière visible, ce qui a pour conséquence qu’aucune matière noire n’est plus nécessaire pour expliquer les grandes vitesses des galaxies. André Maeder a ainsi ajouté aux théories d’Einstein sur la relativité générale et de Newton sur la gravité universelle, un terme mathématique qui décrit le vide et ses propriétés.
Ce nouveau modèle, dont les premiers tests semblent corroborer les observations, permettrait de se passer aussi bien de la matière noire que de l’énergie sombre.
 
On pourrait résoudre à la fois la double énigme de la matière noire et de l’énergie sombre en admettant qu’il existe dans l’Univers de l’antimatière et qu’elle possède une masse négative. Une hypothèse audacieuse, mais que le CERN devrait bientôt vérifier. (© CNRS)
 
 
Une origine antérieure au Big Bang ?
Tommi Tenkanen, un physicien de l’Université John Hopkins de Baltimore, suggère que la matière noire pourrait trouver son origine avant le Big Bang. Estimant que si celle-ci était vraiment un vestige du Big Bang, nous aurions déjà dû voir un signal direct de sa présence. Nous n’avons, en outre, aucune preuve concrète que le Big Bang est le début de tout. Il se peut en effet que cet événement ne soit finalement qu’une ligne d’horizon.
Tommi Tenkanen estime que l’inflation cosmique, période au cours de laquelle l’Univers s’est développé de manière exponentielle, et que l’on situe entre 10-36 et 10-32 secondes après le Big Bang, pourrait s’être produite juste avant le Big Bang et c’est à ce moment précis que la matière noire aurait vu le jour. Il suppose ainsi que durant cette période, l’Univers aurait produit un type de particule appelée « scalaire », dont le nombre de spin était égal à zéro. L’avantage de cette nouvelle théorie, selon le physicien, est qu’elle peut expliquer les interactions entre la matière noire et la matière ordinaire, tout en s’intégrant parfaitement dans la dynamique de l’Univers.
 
L’hypothèse des masses négatives
Le physicien Gabriel Chardin, qui a contribué à fonder l’expérience EDELWEISS visant à tester l’hypothèse suivant laquelle les WIMP constitueraient la matière noire, pense qu’il serait possible de s’en passer en postulant qu’il existe des masses négatives dans l’Univers, tout comme il existe des charges électriques positives et négatives. À partir de cette hypothèse, il envisage un nouveau modèle cosmologique avec un Univers – dit Univers de Dirac-Milne – comportant autant de matière que d’antimatière, celle-ci possédant une masse gravitationnelle négative. Il ne serait ainsi plus nécessaire de faire appel aux concepts de matière et d’énergie sombre. Par ailleurs, dans l’Univers de Dirac-Milne, il n’est plus nécessaire d’expliquer la disparition de l’antimatière; elle est toujours présente, cachée dans le vide intergalactique.
Développé depuis plusieurs années et bien que les théoriciens aient démontré que l’existence de masses négatives est parfaitement compatible avec la relativité générale, le modèle d’Univers de Dirac-Milne reste hautement spéculatif et est très loin d’être accepté dans la communauté scientifique, comme une alternative au modèle standard incluant matière noire et énergie noire.
Dans ce contexte, les expériences ALPHA-g et GBAR au CERN, qui ont reçu leurs premiers faisceaux d’antiprotons à la fin de l’année dernière, ont commencé leurs investigations en vue de mesurer la masse gravitationnelle de l’antimatière. Ainsi, les effets de la gravité sur l’antimatière pourraient être mesurés dans le courant de l’année 2021. Nous saurons alors si l’expérience pourra confirmer la théorie de l’Univers de Dirac-Milne.
 
Selon certaines théories, l’Univers serait tissé de microscopiques liens quantiques, reliant d’infimes parcelles d’espace-temps. La gravitation ne serait pas vraiment une force, mais un effet émergent, la manifestation à grande échelle de ce réseau quand la matière vient le perturber. (© ILLSUTRIS – B. Bourgeois)
 
 
Vers une nouvelle théorie de la physique des particules
Depuis près d’un demi-siècle, les indices de la présence d’une matière invisible dans le cosmos s’accumulent et les arguments pour justifier sa présence ne manquent pas. Cependant, aucune expérience n’a encore réussi à détecter les particules qui la composent. Même le LHC, le plus puissant accélérateur de particules du monde, qui tente de créer des WIMP en laboratoire, n’en a encore vu aucune trace. Une nouvelle théorie de la physique des particules serait donc nécessaire, les particules du modèle standard ne suffisant pas à expliquer cet excédent de masse.
Mais à force de chercher, certains physiciens commencent à douter: la matière noire ne serait-elle qu’une illusion, due au fait que la théorie de la relativité serait insuffisante pour décrire certains phénomènes, à l’instar des lois de Newton qui ne suffisent pas à expliquer l’infiniment petit ?
Le principal candidat reste toutefois le WIMP, que la majorité des scientifiques incluent dans le modèle standard de la cosmologie fondé sur la relativité générale. Quant au modèle standard de la physique des particules, qui décrit l’infiniment petit, il est actuellement incapable de répondre à certaines questions, concernant la gravitation notamment, si bien que des extensions dudit modèle sont en développement, dont la supersymétrie, notamment. On parle alors d’une nouvelle physique.


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