N° 431 · Physique · Tome 4
Qu'est-ce que la matière noire, cette masse invisible qui façonnerait l'Univers sans jamais se montrer ?
Sujet : La matière noire
Les galaxies tournent trop vite et les amas de galaxies sont trop fortement liés pour être retenus par la seule matière visible. Depuis près d'un siècle, les astronomes en déduisent qu'une matière invisible, environ cinq fois plus abondante que la matière ordinaire, agit par sa seule gravité. Ses effets sont mesurés avec précision, mais sa nature reste inconnue : particule encore jamais détectée, trous noirs nés juste après le Big Bang, ou signe que nos lois de la gravité sont incomplètes. Des détecteurs enfouis sous des montagnes la traquent aujourd'hui, et quelques signaux intrigants attendent encore d'être confirmés.
- Auteur
- Julien Lepage
- Publié le
- Lecture
- 2 min
Lire la transcription de la case 01
Bonjour ! Aujourd’hui, je vous propose de découvrir la matière noire, cette matière invisible qui représenterait environ 85 % de toute la matière de l’Univers. Elle n’émet, n’absorbe, ni ne reflète la lumière : personne ne l’a jamais vue directement, et on ne la connaît que par son attraction gravitationnelle. D’après le satellite Planck, l’Univers compterait 26,8 % de matière noire contre seulement 4,9 % de matière ordinaire, celle des étoiles, des planètes… et la nôtre.
Lire la transcription de la case 02
L’idée est bien plus ancienne qu’on ne le croit ! Dès 1884, Lord Kelvin, à partir de la vitesse des étoiles proches du Soleil, estimait que beaucoup d’entre elles pourraient être des « corps sombres ». En 1906, le Français Henri Poincaré a été l’un des premiers à employer l’expression « matière obscure ». Mais il en concluait qu’il y en avait moins que de matière visible… ce qui s’est révélé faux.
Lire la transcription de la case 03
En 1933, l’astronome suisse Fritz Zwicky mesure la vitesse de huit galaxies de l’amas de Coma : environ 1 000 km/s, bien trop vite pour que la matière visible les retienne. Il parle alors de « dunkle Materie », de la matière sombre. Son calcul suggérait 400 fois plus de masse que prévu, un chiffre surestimé à cause d’une constante de Hubble erronée à l’époque : corrigé, on arrive plutôt à environ 50 fois. L’intuition, elle, était juste.
Lire la transcription de la case 04
Dans les années 1970, Vera Rubin et Kent Ford observent la galaxie d’Andromède : ses étoiles lointaines tournent aussi vite que celles du centre, ce qui est impossible sans une masse cachée. En 1980, ils publient le même phénomène dans 21 galaxies spirales. Pionnière, Rubin avait été en 1965 la première femme officiellement invitée à observer à l’observatoire du mont Palomar. Elle est morte en 2016 sans jamais recevoir le prix Nobel.
Lire la transcription de la case 05
Comment « voir » l’invisible ? Grâce aux lentilles gravitationnelles : la masse dévie la lumière des galaxies situées derrière, un effet envisagé par Zwicky dès 1937 et confirmé en 1979. En 2006, l’amas de la Balle offre une démonstration saisissante : lors de la collision de deux amas, le gaz chaud (en rose) a été freiné, alors que la masse mesurée par lentille (en bleu) a continué sa route. Cette masse, séparée de la matière visible, est l’une des preuves les plus directes de la matière noire.
Lire la transcription de la case 06
Mais de quoi serait-elle faite ? Parmi les candidats, on trouve les WIMPs (des particules massives interagissant faiblement), les axions et les trous noirs primordiaux. Les axions doivent leur nom à une marque de lessive : en 1978, le physicien Frank Wilczek a choisi ce nom parce que la particule « nettoyait » un problème de physique. Attention au mythe : la matière noire n’est pas faite de trous noirs ordinaires. Seuls des trous noirs primordiaux, apparus juste après le Big Bang et de la masse d’un astéroïde, restent envisageables.
Lire la transcription de la case 07
Pour capter une rare collision avec une particule de matière noire, on s’enterre loin des rayons cosmiques ! En Savoie, l’expérience EDELWEISS écoute des cristaux de germanium refroidis à 20 millièmes de degré au-dessus du zéro absolu, sous 1 700 m de roche, dans le tunnel du Fréjus. Et pour se protéger de la radioactivité, on utilise parfois du plomb antique, comme ces lingots romains repêchés d’épaves : devenu presque inerte avec les siècles, il fait un blindage idéal. Une pratique qui a fait réagir les archéologues.
Lire la transcription de la case 08
La chasse compte ses fausses alertes. Pendant plus de 25 ans, l’expérience italienne DAMA/LIBRA a affirmé voir un signal saisonnier, mais deux expériences construites avec le même type de cristaux l’ont écarté en 2025. En septembre 2026, le détecteur LZ, enfoui sous près de 1,5 km de roche dans le Dakota du Sud, a présenté un événement isolé, compatible avec une particule d’au moins 200 fois la masse du proton. Mais sa signification statistique n’est que de 2,6 sigma, loin des 5 sigma exigés pour une découverte.
Lire la transcription de la case 09
Et si la matière noire n’existait pas ? La théorie MOND, proposée par Mordehai Milgrom en 1983, suggère plutôt de modifier la loi de la gravité aux très faibles accélérations. Le débat reste vif : certaines études d’étoiles doubles très écartées la soutiennent, d’autres la contredisent. Mais la découverte de galaxies presque sans matière noire, comme DF2 en 2018, puis DF9 en 2026, plaide pour une vraie substance. Même dilemme qu’au XIXᵉ siècle : Le Verrier avait prédit Neptune, bien réelle, mais aussi Vulcain, qui n’a jamais existé et dont l’anomalie a finalement été expliquée par Einstein.
Lire la transcription de la case 10
Ne la confondons pas avec l’énergie noire, une autre inconnue, qui représente 68 % de l’Univers et accélère son expansion. Et l’idée d’un disque de matière noire qui aurait envoyé la comète tueuse de dinosaures ? C’est une hypothèse de la physicienne Lisa Randall, séduisante, mais sans preuve à ce jour. Presque un siècle après Zwicky, on sait donc qu’elle agit sans savoir ce qu’elle est. Le télescope européen Euclid, dont une première grande publication de données est prévue en octobre 2026, nous aidera peut-être à trouver la réponse.
Transcription complète
Retrouvez ici le texte de l’épisode dans l’ordre de lecture.
- Case 01 Bonjour ! Aujourd’hui, je vous propose de découvrir la matière noire, cette matière invisible qui représenterait environ 85 % de toute la matière de l’Univers. Elle n’émet, n’absorbe, ni ne reflète la lumière : personne ne l’a jamais vue directement, et on ne la connaît que par son attraction gravitationnelle. D’après le satellite Planck, l’Univers compterait 26,8 % de matière noire contre seulement 4,9 % de matière ordinaire, celle des étoiles, des planètes… et la nôtre.
- Case 02 L’idée est bien plus ancienne qu’on ne le croit ! Dès 1884, Lord Kelvin, à partir de la vitesse des étoiles proches du Soleil, estimait que beaucoup d’entre elles pourraient être des « corps sombres ». En 1906, le Français Henri Poincaré a été l’un des premiers à employer l’expression « matière obscure ». Mais il en concluait qu’il y en avait moins que de matière visible… ce qui s’est révélé faux.
- Case 03 En 1933, l’astronome suisse Fritz Zwicky mesure la vitesse de huit galaxies de l’amas de Coma : environ 1 000 km/s, bien trop vite pour que la matière visible les retienne. Il parle alors de « dunkle Materie », de la matière sombre. Son calcul suggérait 400 fois plus de masse que prévu, un chiffre surestimé à cause d’une constante de Hubble erronée à l’époque : corrigé, on arrive plutôt à environ 50 fois. L’intuition, elle, était juste.
- Case 04 Dans les années 1970, Vera Rubin et Kent Ford observent la galaxie d’Andromède : ses étoiles lointaines tournent aussi vite que celles du centre, ce qui est impossible sans une masse cachée. En 1980, ils publient le même phénomène dans 21 galaxies spirales. Pionnière, Rubin avait été en 1965 la première femme officiellement invitée à observer à l’observatoire du mont Palomar. Elle est morte en 2016 sans jamais recevoir le prix Nobel.
- Case 05 Comment « voir » l’invisible ? Grâce aux lentilles gravitationnelles : la masse dévie la lumière des galaxies situées derrière, un effet envisagé par Zwicky dès 1937 et confirmé en 1979. En 2006, l’amas de la Balle offre une démonstration saisissante : lors de la collision de deux amas, le gaz chaud (en rose) a été freiné, alors que la masse mesurée par lentille (en bleu) a continué sa route. Cette masse, séparée de la matière visible, est l’une des preuves les plus directes de la matière noire.
- Case 06 Mais de quoi serait-elle faite ? Parmi les candidats, on trouve les WIMPs (des particules massives interagissant faiblement), les axions et les trous noirs primordiaux. Les axions doivent leur nom à une marque de lessive : en 1978, le physicien Frank Wilczek a choisi ce nom parce que la particule « nettoyait » un problème de physique. Attention au mythe : la matière noire n’est pas faite de trous noirs ordinaires. Seuls des trous noirs primordiaux, apparus juste après le Big Bang et de la masse d’un astéroïde, restent envisageables.
- Case 07 Pour capter une rare collision avec une particule de matière noire, on s’enterre loin des rayons cosmiques ! En Savoie, l’expérience EDELWEISS écoute des cristaux de germanium refroidis à 20 millièmes de degré au-dessus du zéro absolu, sous 1 700 m de roche, dans le tunnel du Fréjus. Et pour se protéger de la radioactivité, on utilise parfois du plomb antique, comme ces lingots romains repêchés d’épaves : devenu presque inerte avec les siècles, il fait un blindage idéal. Une pratique qui a fait réagir les archéologues.
- Case 08 La chasse compte ses fausses alertes. Pendant plus de 25 ans, l’expérience italienne DAMA/LIBRA a affirmé voir un signal saisonnier, mais deux expériences construites avec le même type de cristaux l’ont écarté en 2025. En septembre 2026, le détecteur LZ, enfoui sous près de 1,5 km de roche dans le Dakota du Sud, a présenté un événement isolé, compatible avec une particule d’au moins 200 fois la masse du proton. Mais sa signification statistique n’est que de 2,6 sigma, loin des 5 sigma exigés pour une découverte.
- Case 09 Et si la matière noire n’existait pas ? La théorie MOND, proposée par Mordehai Milgrom en 1983, suggère plutôt de modifier la loi de la gravité aux très faibles accélérations. Le débat reste vif : certaines études d’étoiles doubles très écartées la soutiennent, d’autres la contredisent. Mais la découverte de galaxies presque sans matière noire, comme DF2 en 2018, puis DF9 en 2026, plaide pour une vraie substance. Même dilemme qu’au XIXᵉ siècle : Le Verrier avait prédit Neptune, bien réelle, mais aussi Vulcain, qui n’a jamais existé et dont l’anomalie a finalement été expliquée par Einstein.
- Case 10 Ne la confondons pas avec l’énergie noire, une autre inconnue, qui représente 68 % de l’Univers et accélère son expansion. Et l’idée d’un disque de matière noire qui aurait envoyé la comète tueuse de dinosaures ? C’est une hypothèse de la physicienne Lisa Randall, séduisante, mais sans preuve à ce jour. Presque un siècle après Zwicky, on sait donc qu’elle agit sans savoir ce qu’elle est. Le télescope européen Euclid, dont une première grande publication de données est prévue en octobre 2026, nous aidera peut-être à trouver la réponse.
Ce qu’il faut retenir
- La matière noire représenterait environ 85 % de la matière de l'Univers et 27 % de son contenu total
- On ne la connaît que par ses effets gravitationnels, comme la rotation des galaxies ou la déviation de la lumière
- L'expression « matière obscure » apparaît dès 1906 chez Henri Poincaré, avant les travaux de Fritz Zwicky en 1933 et de Vera Rubin dans les années 1970
- Les principaux candidats sont les WIMPs, les axions et les trous noirs primordiaux
- Des théories alternatives comme MOND proposent plutôt de modifier la loi de la gravité
- Aucune détection directe n'est confirmée à ce jour, malgré plusieurs signaux encore débattus
Sources et crédits
- Auteur et responsable éditorial
- Julien Lepage
- Date de publication
Références principales
- Université de Bristol (LZ) (nouvel onglet)
- UC Santa Barbara, The Current (nouvel onglet)
- Wikipedia, LZ experiment (nouvel onglet)
- arXiv, Can Elastic Neutrino Scattering Account for LZ230616? (nouvel onglet)
- PhilArchive, One Recoil Does Not Identify Dark Matter (nouvel onglet)
- Wikipedia, Dark matter (nouvel onglet)
- Wiktionary, dark matter (nouvel onglet)
- Einasto, Dark matter (arXiv) (nouvel onglet)
- van den Bergh, The Early History of Dark Matter (arXiv) (nouvel onglet)
- Wikipedia, Fritz Zwicky (nouvel onglet)
- Goatfury Substack, Spherical bastard (nouvel onglet)
- Carnegie Science, Vera Rubin (nouvel onglet)
- Scientific American, Cosmos Quickly: Vera Rubin (nouvel onglet)
- Lapham's Quarterly, Vera Rubin (nouvel onglet)
- Planck 2018 VI (arXiv) (nouvel onglet)
- Max Planck Institute for Astrophysics (nouvel onglet)
- OpenStax Astronomy 29.5 (nouvel onglet)
- Rihtaršič et al., Bullet Cluster JWST (arXiv) (nouvel onglet)
- Chandra X-ray Observatory, Bullet Cluster 2025 (nouvel onglet)
- Ethan Siegel, Starts With A Bang (nouvel onglet)
- Totani, TeVPA 2025 abstract (nouvel onglet)
- Totani, IPMU 2025 slides (nouvel onglet)
- Heise (nouvel onglet)
- Université de Zurich, XENONnT neutrino fog (nouvel onglet)
- Zu et al., Nature Astronomy (White Rose eprints) (nouvel onglet)
- ESA Euclid (nouvel onglet)
- EAS 2026 Symposium Euclid (nouvel onglet)
- COSINE-100, Science Advances (PMC) (nouvel onglet)
- Physical Review Letters, COSINE-100 & ANAIS-112 (nouvel onglet)
- CNRS IN2P3, EDELWEISS (nouvel onglet)
- J. Gascon, séminaire EDELWEISS (IPNL) (nouvel onglet)
- LSM, 40 ans de physique (nouvel onglet)
- Wikipedia, Axion (nouvel onglet)
- Templeton Prize, Frank Wilczek (nouvel onglet)
- Asteroid-mass PBHs from Supersymmetry (arXiv) (nouvel onglet)
- Constraining PBH Abundance with Space-Based Detectors (arXiv) (nouvel onglet)
- Dark Matter review, Neptune/Vulcain (arXiv) (nouvel onglet)
- Science News, Trust in gravity (nouvel onglet)
- Chae et al., Probing the Nature of Gravity (arXiv) (nouvel onglet)
- Mahmud Saad & Ting, wide binaries (arXiv) (nouvel onglet)
- Hernandez et al., wide binary anomaly (arXiv) (nouvel onglet)
- Physics World, MOND wide binaries (nouvel onglet)
- Keller & Wadsley, ΛCDM and SPARC RAR (arXiv) (nouvel onglet)
- Keim et al., A Third Galaxy Missing Dark Matter (arXiv) (nouvel onglet)
- Universe Today, Third galaxy missing dark matter (nouvel onglet)
- Indian Defence Review (nouvel onglet)
- Big Think, Randall (nouvel onglet)
- NBC News, Dark matter & dinosaurs (nouvel onglet)
- Université d'Ottawa, Gupta (nouvel onglet)
- Slashdot / ScienceAlert, Gupta (nouvel onglet)
- Scientific American, Roman ingots (nouvel onglet)
- ScienceDaily, Controversy over Roman ingots (nouvel onglet)
- Wikipedia, Dust (His Dark Materials) (nouvel onglet)
- The Wire Science, Pullman (nouvel onglet)
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