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.
Composant | Proportion | Nature physique | Mode de détection |
---|---|---|---|
Matière baryonique | 4,9 % | Atomes, plasma, poussières | Émission, absorption, lumière visible, rayons X |
Matière noire | 26,8 % | Inconnue (WIMPs ? axions ? neutrinos ?) | Effets gravitationnels (lenteur des vitesses de rotation galactique, lentilles gravitationnelles) |
Énergie noire | 68,3 % | Inconnue (vide quantique ? constante cosmologique ?) | Accélération de l’expansion cosmique, supernovæ Ia |
Source : Mission ESA Planck, Résultats 2018.
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.
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.
Candidat | Nature | Origine théorique | Statut expérimental |
---|---|---|---|
WIMPs | Particules massives faiblement interactives | Supersymétrie (SUSY), neutralinos | Non détectées (XENONnT, LUX-ZEPLIN) |
Axions | Particules très légères, pseudoscalaires | Théorie de Peccei-Quinn, QCD | Recherches en cours (ADMX, MADMAX) |
Neutrinos stériles | Neutrinos inertes interagissant uniquement par gravité | Extension du modèle standard | Pas confirmés, mais compatibles avec certaines anomalies |
Matière noire auto-interactive (SIDM) | Particules s’annihilant ou se diffusant entre elles | Modèles de structure galactique | Tests sur profils de densité d’amas |
Matière noire ultralégère (Fuzzy DM) | Bosons de masse ~\(10^{-22}\) eV | Condensat de Bose–Einstein cosmologique | Effets sur les halos à grande échelle |
MACHOs | Objets astrophysiques compacts non lumineux | Trous noirs, naines brunes, étoiles mortes | Exclus pour la majorité de la masse noire (microlentilles) |
MOND / TeVeS | Modifications de la dynamique newtonienne | Théories alternatives à la matière noire | Incapacité 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 cordes | Interactions très faibles avec notre secteur, recherches indirectes en cours |
Trous noirs primordiaux (PBH) | Trous noirs formés durant l’ère inflationnaire | Modèles d’inflation avec fluctuations de densité locales | Microlentilles gravitationnelles, ondes gravitationnelles (LIGO/Virgo) |
Matière miroir | Réplique du modèle standard dans un secteur miroir | Inspiration par symétrie \( \mathbb{Z}_2 \), respect de la parité | Potentiellement détectable via oscillations neutrino ou effets thermiques |
Sources : Bertone & Tait (2018), LUX-ZEPLIN Collaboration (2022), Fuzzy Dark Matter Review (2020).
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.
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.
Modèle | Description | Composante (\(w\)) | Tests expérimentaux |
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Constante cosmologique (\(\Lambda\)) | Énergie du vide, densité constante | \(w = -1\) | Accord avec données de Planck, SDSS, SN Ia |
Quintessence | Champ scalaire dynamique à potentiel lent | \(-1 < w < -\frac{1}{3}\) | Projets Euclid, DESI, LSST |
Énergie fantôme | Champ à énergie négative | \(w < -1\) | Conduirait au scénario du Big Rip |
k-essence | Champ scalaire avec cinétique non standard | Variable, dépend de la dynamique | Prévisions pour Euclid et LSST |
Gravité modifiée (f(R), DGP...) | Modification de la relativité générale à grande échelle | Pas de \(w\) défini (effet géométrique) | Tests sur formation des grandes structures |
Backreaction cosmologique | Effet émergent des inhomogénéités gravitationnelles | Pas de fluide, mais géométrie moyenne | Très difficile à modéliser, sans consensus |
Énergie noire émergente (Entropic gravity) | Gravité et accélération comme phénomènes thermodynamiques | Pas de \(w\) classique | Théorie 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 cosmologique | Tests sur CMB, formation des structures, LSST à venir |
Champs vectoriels sombres | Vecteurs dynamiques responsables de l’accélération de l’expansion | \( w(t) \) variable selon le champ | Modèles testables par anisotropies du fond diffus |
Théorie des interactions retardées | L’effet de la matière sur la géométrie de l’espace-temps n’est pas instantané | Pas de fluide, effet mémoire ou retardé de la matière ordinaire | Hypothèse spéculative, difficilement testable expérimentalement |
Sources : Copeland et al. (2006), ESA Euclid, Verlinde (2011) – Gravity as an Emergent Phenomenon.
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