Matière noire et énergie noire

La matière noire est une forme de matière qui n'émet, n'absorbe ni ne réfléchit aucun rayonnement électromagnétique — elle est donc totalement invisible à tous nos télescopes, quelles que soient les longueurs d'onde observées. Pourtant, sa présence est trahie par ses effets gravitationnels sur la matière visible et la lumière. Elle représente 27 % du contenu total de l'Univers, contre seulement 5 % pour la matière ordinaire (baryonique — protons, neutrons, électrons dont nous sommes faits). La première indication de la matière noire vint en 1933 : Fritz Zwicky mesura les vitesses des galaxies dans l'amas de la Chevelure de Bérénice (Coma Cluster) et trouva qu'elles se déplaçaient beaucoup trop vite pour être liées gravitationnellement par la seule matière visible de l'amas. La masse dynamique dépassait la masse lumineuse d'un facteur 400. Il postula une « Dunkle Materie » (matière sombre). En 1970, Vera Rubin et Kent Ford mesurèrent les courbes de rotation de galaxies spirales : au lieu de diminuer avec la distance au centre (comme on l'attendrait si toute la masse était concentrée vers le centre), la vitesse de rotation restait constante — ou même augmentait légèrement — très loin du centre galactique. Cela implique que chaque galaxie est entourée d'un halo sphérique de matière invisible plusieurs fois plus massif que son disque visible. Le lentillage gravitationnel est l'outil le plus direct pour cartographier la matière noire. La gravité défléchit la lumière (prévu par la relativité générale, confirmé en 1919). Un amas de galaxies massif agit comme une lentille géante déformant les images des galaxies d'arrière-plan en arcs et anneaux d'Einstein. En reconstruisant le champ gravitationnel qui produit ces déformations, les astronomes cartographient la distribution de toute la masse — visible et invisible — de l'amas. Le Bullet Cluster (1E 0657-558) est la preuve la plus directe de la matière noire : deux amas de galaxies après collision, la matière noire (cartographiée par lentillage) est déconnectée du gaz chaud X (qui a été ralenti par la collision) — comportement incompatible avec toute théorie de gravité modifiée sans matière noire.