Pensez à tout ce qui existe dans l'univers. Des fours spatiaux géants comme notre Soleil. Géantes gazeuses, à côté desquelles notre planète ne sera qu'un nain. Des rangées d'astéroïdes qui parcourent l'espace vide. Des étoiles lointaines à des milliers d'années-lumière. Tout cela représente moins de 5% de la masse de l'univers. Où est le reste? C'est encore un mystère. Notre gigantesque univers aurait pu se former avec des particules de matière noire que nous n'avions même pas eu l'occasion d'observer. Les scientifiques tentent de prouver leur existence, et avec eux l'existence des "étoiles noires".
Il y a un élément qui peut représenter jusqu'à 25% de l'univers. Nous ne pouvons ni le sentir ni le voir. Il n'interagit pas avec la lumière. Il ne s'agit même pas des éléments de base auxquels nous sommes habitués - des électrons et des protons à l'intérieur des atomes qui composent toute la matière.
C'est de la «matière noire», et les scientifiques tentent de comprendre ce que c'est depuis des décennies. L'astrophysicienne théorique Katherine Freese fait partie de ceux qui recherchent ces mystérieuses briques de vie. Il y a trente ans, sa théorie d'une colle invisible qui a contribué à façonner l'univers a conduit à la construction d'accélérateurs de particules souterrains partout sur la Terre, comme les machines du CERN. Que cherchent-ils? Ces particules sont appelées wimps (WIMP), et selon Freese, les étoiles fabriquées à partir de ce matériau fantomatique auraient pu aider le cosmos à se former il y a des milliards d'années.
Wimps (particules massives faiblement interagissant) sont de grosses particules qui n'interagissent pas avec les forces électromagnétiques. Cela les rend «sombres» - ils ne peuvent pas être observés à l'aide des capteurs électromagnétiques que les humains ont utilisés pour étudier l'univers au cours des cent dernières années.
Mais grâce à la théorie de la supersymétrie - qui implique que chaque particule connue a un équivalent «antimatière» - il y a une lacune dans notre atlas de particules actuel, et WIMPS peut parfaitement combler cette lacune. Ils sont partout, mais ils ne laissent aucune trace car ils hésitent à interagir avec les particules ordinaires qui les entourent.
«Eh bien, si nous prenons tous les objets de notre vie quotidienne - votre corps, la chaise sur laquelle il est assis, l'air qu'il respire, les murs autour de nous, ajoutons les planètes, ajoutons les étoiles - tout cela est fait d'atomes que nous comprenons, mais toute cette matière atomique ne représente que 5% de notre univers - 5%! Par conséquent, il y a un autre 95% que nous devons comprendre. Et c'est là qu'interviennent la matière noire et l'énergie noire. Quand ils passent à travers vous - des milliards de particules chaque seconde - vous ne le remarquez pas, parce que l'interaction faible est vraiment faible, rien ne se passe."
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Comment trouvez-vous ce que vous n'avez aucun moyen de voir?
«Une bonne analogie pour la matière noire est le vent. On ne la voit pas, elle est invisible, et pourtant on est sûr qu'elle existe parce que les feuilles bruissent. Il en va de même pour la matière noire. On voit que ça rapproche les choses … c'est de la matière, ce qui veut dire qu'on ressent la gravité. Elle se blottit et rassemble les choses. Nous savons qu'il existe pour cette raison, mais nous ne savons pas en quoi il consiste."
Si des wimps existent - et Freese en est sûr - ils auraient dû apparaître peu de temps après le Big Bang.
Freese a exploré cette théorie avec ses collègues astrophysiciens Paolo Gondolo à l'Université de l'Utah et Doug Spoliar à l'Université de Stockholm en Suède. Ils ont recherché les premières «étoiles sombres» qui se sont formées dans les premiers jours de l'univers.
Malgré leur nom, ces anciennes étoiles étaient éblouissantes - elles vivaient de l'anéantissement de la matière noire. Et certains d'entre eux pourraient vivre dans les coins les plus reculés de l'Univers, rayonnant de lumière.
"Les étoiles sombres ont commencé avec les mêmes masses que le Soleil, mais pourraient devenir de plus en plus grandes jusqu'à devenir une masse de millions de soleils et des milliards de fois plus brillantes."
«Le prochain grand télescope, le télescope spatial James Webb, une extension du célèbre télescope spatial Hubble, pourra trouver des étoiles sombres. En faisant cela, nous trouverons non seulement un tout nouveau type d'étoiles, ce qui est déjà surprenant en soi, mais nous prouverons également qu'elles vivent de WIMP. Le problème sera donc résolu par lui-même."
Et cela pourrait signifier la fin de l'un des défis les plus difficiles de la science moderne. Les scientifiques tentent de résoudre le problème de la matière noire depuis les années 1930, mais des indices de son existence sont apparus bien avant cela.
«Lorsque les gens ont étudié le mouvement du soleil et des planètes autour d'eux, ils se sont rendu compte que les planètes centrales se déplaçaient assez rapidement, mais plus elles s'éloignaient du centre, plus le mouvement était lent», explique Freese.
"Alors ils ont pensé, d'accord, ce sont les lois de Newton, nous les connaissons, ce sont les lois de la nature, regardons des structures plus grandes - des galaxies et des amas de galaxies."
«Mais ce n'est pas ce qu'ils ont trouvé: ils ont découvert que lorsque vous vous déplacez du centre de la galaxie, tout se déplace à la même vitesse. C'était assez bizarre."
Freese pense que les étoiles et les planètes que nous voyons dans le ciel nocturne sont le point culminant d'une longue chaîne de réactions qui a commencé avec ces particules en interaction faible. Et elle dit que sans particules de matière noire, l'univers n'aurait pas pu devenir ce qu'il est. "Les structures dans lesquelles nous vivons, les galaxies et les amas de galaxies, n'auraient pas pu se former si la matière noire n'avait pas formé la toile cosmique dans laquelle nous vivons."
«C'est-à-dire que la matière noire s'est d'abord réunie, puis les atomes ordinaires, les neutrons et les protons, etc., ainsi que la matière noire, ont formé des protogalaxies, ce qui a conduit à l'apparition de galaxies, de planètes et d'étoiles. Mais pour commencer à former cette structure, il faut de la matière noire."
ILYA KHEL
