Le télescope spatial Hubble a permis de détecter la présence d'immenses structures remplies de matière invisible, d'une nature encore inconnue.


LES ASTRONOMES ne savent toujours pas de quoi la matière noire est composée, mais ils peuvent maintenant dire avec précision où elle se trouve dans l'Univers. Cette inconnue discrète est six fois plus abondante que la matière observable dans le cosmos. Sa particularité, comme son nom l'indique, c'est de rester invisible pour les télescopes. La matière dite classique est, elle, généralement visible, et c'est celle dont nous sommes faits. Pour les astronomes, elle compose surtout les étoiles et les galaxies, ainsi que tous les objets observés dans le ciel. La troisième composante majeure, l'énergie noire, est elle aussi inconnue, et est responsable de l'expansion accélérée de l'Univers depuis le big bang.


Malgré l'impossibilité de la voir directement, un groupe interna­tional de chercheurs, dont plusieurs Français se sont servis du télesco­pe spatial Hubble pour détecter la matière sombre grâce à une mé­thode indirecte, et pour en dresser la carte en trois dimensions la plus grande et la plus précise à ce jour. Ces travaux colossaux du progra­mme Cosmos ont demandé la réalisation de 575 images contiguës avec Hubble d'une région du ciel large comme huit fois la pleine lune. Ils sont publiés aujourd'hui en ligne par la revue britannique Nature.


Déformations d'images


Le tour de force a été rendu possible en tirant partie d'une des propriétés de la relativité d'Einstein : les objets massifs, comme les grands amas de matière sombre, sont capables d'attirer la lumière, et donc d'en courber les rayons lumineux comme le ferait une loupe. Dans le cas particulier où un objet sombre se trouve à mi-chemin dans l'axe entre un télescope et une galaxie, cet effet de lentille gravitationnelle peut totalement déformer l'image de la galaxie et la faire apparaître comme un anneau ou une série d'arcs. Mais dans la majeure partie des cas, la matière sombre de l'Univers ne courbe qu'un tout petit peu la lumière émise par des objets plus lointains. « Les déformations des images peuvent être imperceptibles si on regarde les galaxies une par une, mais l'effet devient en revanche statistiquement significatif si on regarde les for­mes d'un très grand nombre de galaxies, » explique Hervé Aussel, chercheur au service d'astrophysique du CEA à Saclay. Les centaines de milliers de galaxies dont la forme a été systématiquement mesurée ont permis de dresser la carte la plus précise et la plus étendue à ce jour de la matière invisible qui provoque ces perturbations. Les structures les plus lointaines qui ont été détectées existaient quand l'Univers avait la moitié de son âge actuel, il y a environ sept milliards d'années. La mesure de la troisième dimension, celle de l'éloignement par rapport à nous, a été réalisée en estimant la distance des galaxies dont l'image était déformée, grâce notamment à des observations complémentaires par des observatoires au sol, comme les télescopes VLT européens au Chili.


En comparant la carte ainsi obtenue avec celle des grandes structures visibles, les astronomes ont eu le plaisir de voir que les grands amas de matière noire, comme le plus grand, qui représente plus d'un million de milliards de fois la masse du Soleil, se superposent bien avec les concentrations de matière visible, comme les amas de galaxies. De manière plus fine, « c'est la première fois qu'on peut constater que les amas de matière sombre semblent reliés entre eux par des filaments, comme c'est aussi le cas pour les amas de matière visible », ajoute Hervé Aussel.


Pour comprendre l'ordre de grandeur de la taille des structures en jeu, il faut savoir que notre galaxie, la Voie lactée, contient 200 milliards d'étoiles (dont le Soleil), et qu'elle n'est qu'un îlot de matière dans une plus grande structure, l'amas de la Vierge, qui contient lui-même 1 300 galaxies...


Pour améliorer la carte existante établie par Hubble, les astronomes français, sous la direction d'Alexandre Réfrégier du CEA, proposent un télescope spatial, Dune, dédié à l'étude de la matière sombre. En attendant, les expériences de physiques de particules se poursuivent sur Terre pour tenter d'identifier la nature de cette mystérieuse matière noire.