INTRODUCTION
Nous ne connaissons guère l'univers, au delà du système solaire, que par la lumière que nous en recevons: les sondes quittent rarement le système solaire et les rayons cosmiques n'apportent qu'une information limitée (bien que précieuse). La lumière (au sens large, des ondes radio aux rayons gamma) est donc notre source essentielle d'informations.
Toutefois, les astronomes s'accordent désormais à penser qu'entre 90% et 99% de la matière dans l'univers n'émet pas de lumière. L'existence de cette matière, dite matière sombre ou matière noire, est inférée à partir des perturbations gravitationnelles qu'elle apporte à la matière lumineuse.
Faut-il se montrer surpris qu'il y ait beaucoup de matière non-lumineuse dans l'univers? Les planètes ou les astéroïdes ne sont pas lumineux par eux-mêmes, et ils ne font que réfléchir la lumière du Soleil. Rien a priori n'interdit que l'univers soit rempli de tels objets sombres, bien plus nombreux que les étoiles brillantes. Après tout, par définition, la matière sombre est invisible !
Cependant, l'expérience du système solaire nous montre que l'essentiel de la masse se trouve dans le Soleil, sinon le mouvement des planètes serait très différent. Les astronomes pensaient naturellement que, partout dans l'univers, la lumière trace la masse, selon l'expression consacrée.
L'étude de la lumière reçue des étoiles indique bien qu'il existe de la matière diffuse dans l'espace interstellaire: de la poussière qui absorbe une partie de la lumière visible et la réémet dans l'infra-rouge, de l'hydrogène neutre qui rayonne en ondes radio ou de l'hydrogène ionisé qui émet dans l'ultraviolet et les rayons X. Mais cette matière, au demeurant lumineuse (au sens large), n'est pas beaucoup plus abondante que celle qui est concentrée dans les étoiles et surtout sa répartition n'est pas très différente de celles-ci.
DANS LES GALAXIES
Si la lumière était un bon indicateur de la masse, l'essentiel de celle-ci se trouverait donc près du centre et la vitesse de rotation augmenterait d'abord puis décroîtrait rapidement avec la distance au centre de la galaxie selon les lois de Kepler. Les observations sont très différentes : la vitesse de rotation V(r) augmente bien près du centre, mais ne décroît pas, aussi loin qu'on a pu la mesurer, ce qui indique la présence d'une quantité importante de matière dans des régions de très faible luminosité.
La vitesse de rotation reste voisine de 120 km/s sur une très longue distance, alors même qu'il n'y a pratiquement plus d'étoiles au delà de quelques kiloparsecs (kpc). La courbe marquée "disk" indique la vitesse que l'on devrait mesurer si la masse était due aux seules étoiles observées, et montre la décroissance "képlérienne".
Une contribution supplémentaire à la masse vient des nuages diffus de gaz (essentiellement de l'hydrogène et de l'hélium) qui s'étendent plus loin que les étoiles (courbe marquée "gas"). Ces nuages sont également en rotation et on mesure leur vitesse (l'hydrogène atomique est détecté en radio-astronomie à 21 cm de longueur d'onde). Mais la masse de gaz est insuffisante pour rendre compte des vitesses de rotation observées.
EN COSMOLOGIE
Il existe également un certain nombre de raisons théoriques de s'attendre (a posteriori) à la présence de grandes quantités de matière noire dans l'univers.
D'une part, la théorie de la nucléosynthèse primordiale conduit à une quantité de matière baryonique supérieure à celle qui est observée sous forme d'étoiles et de gaz : on s'attend donc à la présence de
baryons noirs.
D'autre part, la matière noire semble requise pour réconcilier les observations avec la théorie canonique selon laquelle les grandes structures, galaxies et amas, se forment à partir de petites fluctuations primordiales de densité qui croissent ensuite par instabilité gravitationnelle.
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