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Dernière mise à jour 01 août 2025

Énigme de la masse manquante : Matière Noire et Énergie Noire

Matière noire et énergie noire dans le cosmos

Le mystère des 95 % de matière et d'énergie invisibles

Lorsque nous observons les galaxies, les amas galactiques ou encore le fond diffus cosmologique, une évidence saute aux yeux des cosmologistes : les lois de la gravitation ne suffisent pas à expliquer les observations. Pourtant, la matière visible, celle qui compose les étoiles, les planètes et nous-mêmes, ne représente que 4,9 % de l’univers. Les 95,1 % restants sont composés de deux entités invisibles et mystérieuses : la matière noire et l’énergie noire.

Tableau récapitulatif des composants de l’univers

Composition estimée de l’univers (Planck 2018)
ComposantProportionNature physiqueMode de détection
Matière baryonique4,9 %Atomes, plasma, poussièresÉmission, absorption, lumière visible, rayons X
Matière noire26,8 %Inconnue (WIMPs ? axions ? neutrinos ?)Effets gravitationnels (lenteur des vitesses de rotation galactique, lentilles gravitationnelles)
Énergie noire68,3 %Inconnue (vide quantique ? constante cosmologique ?)Accélération de l’expansion cosmique, supernovæ Ia

Source : Mission ESA Planck, Résultats 2018.

Matière noire : un halo gravitationnel invisible

Déduite de la rotation galactique et de la dynamique des amas, la matière noire représente environ 26,8 % de l’énergie totale de l’univers. Elle n’émet, n’absorbe, ni ne réfléchit de lumière. Sa présence est trahie uniquement par ses effets gravitationnels, comme la lenteur anormale de la décroissance de la vitesse des étoiles avec la distance au centre galactique. Diverses hypothèses ont été proposées : neutrinos massifs, axions, WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), mais aucun candidat n’a été détecté à ce jour.

Théories sur la nature de la matière noire

L’absence de détection directe de la matière noire stimule une diversité de modèles théoriques, allant de particules supersymétriques à des extensions du champ gravitationnel. Ces hypothèses cherchent à expliquer ses propriétés : gravitationnelle mais non électromagnétique, massive mais non visible.

Hypothèses théoriques sur la matière noire
CandidatNatureOrigine théoriqueStatut expérimental
WIMPsParticules massives faiblement interactivesSupersymétrie (SUSY), neutralinosNon détectées (XENONnT, LUX-ZEPLIN)
AxionsParticules très légères, pseudoscalairesThéorie de Peccei-Quinn, QCDRecherches en cours (ADMX, MADMAX)
Neutrinos stérilesNeutrinos inertes interagissant uniquement par gravitéExtension du modèle standardPas confirmés, mais compatibles avec certaines anomalies
Matière noire auto-interactive (SIDM)Particules s’annihilant ou se diffusant entre ellesModèles de structure galactiqueTests sur profils de densité d’amas
Matière noire ultralégère (Fuzzy DM)Bosons de masse ~\(10^{-22}\) eVCondensat de Bose–Einstein cosmologiqueEffets sur les halos à grande échelle
MACHOsObjets astrophysiques compacts non lumineuxTrous noirs, naines brunes, étoiles mortesExclus pour la majorité de la masse noire (microlentilles)
MOND / TeVeSModifications de la dynamique newtonienneThéories alternatives à la matière noireIncapacité à reproduire les lentilles gravitationnelles
Particules du secteur sombre (Hidden Sector DM)Particules interagissant via des forces non standard (ex. photons sombres)Extensions du Modèle Standard, parfois issues de la théorie des cordesInteractions très faibles avec notre secteur, recherches indirectes en cours
Trous noirs primordiaux (PBH)Trous noirs formés durant l’ère inflationnaireModèles d’inflation avec fluctuations de densité localesMicrolentilles gravitationnelles, ondes gravitationnelles (LIGO/Virgo)
Matière miroirRéplique du modèle standard dans un secteur miroirInspiration par symétrie \( \mathbb{Z}_2 \), respect de la paritéPotentiellement détectable via oscillations neutrino ou effets thermiques

Sources : Bertone & Tait (2018), LUX-ZEPLIN Collaboration (2022), Fuzzy Dark Matter Review (2020).

Énergie noire : la force de l’accélération cosmique

Découverte indirectement par l’étude de supernovæ de type Ia dans les années 1990, l’énergie noire représenterait 68,3 % de l’univers. Elle serait responsable de l’accélération de l’expansion cosmique, comme une forme d’antigravité cosmique. Modélisée par la constante cosmologique \(\Lambda\) dans les équations d’Einstein, elle défie notre compréhension des champs quantiques et du vide lui-même. La densité de cette énergie semble rester constante dans le temps, ce qui rend son origine profondément énigmatique.

Théories sur la nature de l’énergie noire

L’énergie noire est l’un des mystères majeurs de la cosmologie. Plusieurs modèles cherchent à expliquer son effet répulsif sur l’expansion de l’espace, soit comme propriété intrinsèque du vide, soit comme manifestation d’une dynamique plus profonde ou géométrique de l’univers.

Hypothèses théoriques sur l’énergie noire
ModèleDescriptionComposante (\(w\))Tests expérimentaux
Constante cosmologique (\(\Lambda\))Énergie du vide, densité constante\(w = -1\)Accord avec données de Planck, SDSS, SN Ia
QuintessenceChamp scalaire dynamique à potentiel lent\(-1 < w < -\frac{1}{3}\)Projets Euclid, DESI, LSST
Énergie fantômeChamp à énergie négative\(w < -1\)Conduirait au scénario du Big Rip
k-essenceChamp scalaire avec cinétique non standardVariable, dépend de la dynamiquePrévisions pour Euclid et LSST
Gravité modifiée (f(R), DGP...)Modification de la relativité générale à grande échellePas de \(w\) défini (effet géométrique)Tests sur formation des grandes structures
Backreaction cosmologiqueEffet émergent des inhomogénéités gravitationnellesPas de fluide, mais géométrie moyenneTrès difficile à modéliser, sans consensus
Énergie noire émergente (Entropic gravity)Gravité et accélération comme phénomènes thermodynamiquesPas de \(w\) classiqueThéorie spéculative, sans prédictions précises
Modèles holographiques (HDE)L’énergie noire découle d’un principe holographique sur la densité d’information\( w \approx -1 \), dépend du rayon cosmologiqueTests sur CMB, formation des structures, LSST à venir
Champs vectoriels sombresVecteurs dynamiques responsables de l’accélération de l’expansion\( w(t) \) variable selon le champModèles testables par anisotropies du fond diffus
Théorie des interactions retardéesL’effet de la matière sur la géométrie de l’espace-temps n’est pas instantanéPas de fluide, effet mémoire ou retardé de la matière ordinaireHypothèse spéculative, difficilement testable expérimentalement

Sources : Copeland et al. (2006), ESA Euclid, Verlinde (2011) – Gravity as an Emergent Phenomenon.

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