Le terme « matière noire » a été utilisé pour la première fois il y a cent ans dimanche. Le physicien et philosophe Jaco de Swart a obtenu son doctorat sur l’histoire du plus grand mystère de l’astronomie moderne. « Il y a beaucoup en jeu. »
La première illustration de la thèse de Jaco de Swart (33 ans) sur l’histoire de la matière noire est la photo d’une pédale de distorsion pour guitare électrique, du nom de type Dark Matter. En plus d’être physicien et philosophe (et gardien de poulet et ramasseur de plastique), De Swart est aussi avant tout un bassiste. Après l’interview, il doit se rendre directement à Utrecht pour s’entraîner avec son groupe X Raiders, une fois vu à Le monde continue, à Paaspop et au Zwarte Cross Festival. Presque chaque semaine, les cinq amis d’enfance se produisent quelque part. Une musique hard rock qui joue avec les styles et les genres, et où tout est toujours légèrement différent de ce à quoi vous vous attendez.
De Swart (grand, cheveux bouclés, ongles peints en rouge sur la main gauche, sweat-shirt avec les textes Mortal Coil et Reaping Death sur les manches) est un scientifique à temps partiel ; Il consacre au moins 20% de son temps et de son énergie à la musique et cela devrait rester ainsi à l’avenir. Il ne voit pas non plus une si grande différence : dans les deux cas, il s’agit de créativité, d’emprunter des chemins inexplorés, de ne jamais rien prendre pour acquis et de se laisser aller.
Et non, De Swart, qui partira l’été prochain pour le célèbre Massachusetts Institute of Technology, n’a aucune ambition de résoudre le mystère de la matière noire de ses propres mains – d’autres peuvent le faire.
C’est une énigme qui intrigue les astronomes depuis des décennies. En résumé : il doit y avoir beaucoup plus de matière dans l’univers que ce que l’on peut voir avec les télescopes. Presque six fois plus, pour être exact. Cela ressort, entre autres, des mesures de vitesse dans l’univers. Les régions extérieures des galaxies telles que notre propre Voie lactée, par exemple, tournent beaucoup plus vite que vous ne le pensez. Cela ne peut s’expliquer que si ces galaxies sont beaucoup plus lourdes qu’elles n’en ont l’air : sans la gravité d’énormes quantités de matière noire, les étoiles seraient projetées dans l’espace à grande vitesse.
Quelque chose de similaire s’applique aux taux de mouvement des galaxies dans les amas – des essaims colossaux de centaines de ces galaxies. Ces vitesses sont également beaucoup trop élevées et indiquent la présence de choses invisibles. Et il existe de nombreux autres indices sur l’existence de la matière noire.
Personne ne sait en quoi consiste cette matière noire. Tout indique qu’il doit s’agir de particules élémentaires inconnues, mais elles n’ont jamais été trouvées, et la question est de savoir si cela fonctionnera un jour. De Swart n’aime pas vraiment ça; il s’intéresse surtout à l’histoire du mystère. « Pour moi, c’est seulement plus amusant et intéressant s’il n’y a pas encore de solution. »
Comment en arrive-t-on à étudier la physique et la philosophie en même temps ?
De Swart : « J’ai commencé par la physique – la « vraie » science, pensais-je. Mais là, j’ai vite raté une perspective plus large. J’ai aussi fait quelques beaux cours à côté et j’ai été captivé par la philosophie. La physique est très factuelle et traite du monde extérieur ; la philosophie est plus réfléchie et beaucoup plus sur vous-même. Comment fonctionne la connaissance ; que signifie réellement le terme « preuve » ? Dans les deux mondes, j’étais un peu bizarre, posant toujours des questions différentes des autres. La matière noire est un lien intéressant : comment est-il possible que quelque chose dont on sait encore si peu de choses puisse jouer un rôle aussi important et central dans la science ? Le titre de ma thèse n’y est pas pour rien Comment la matière noire est venue à la matière.†
Quel âge a l’énigme ?
« Le terme ‘matière noire’ a été introduit pour la première fois il y a cent ans, en 1922, par l’astronome de Groningue Jacobus Kapteyn, dans le numéro de mai de Le Journal Astrophysique† Mais Kapteyn n’a pas du tout utilisé cette description dans le contexte contemporain – tout comme quelqu’un a dû mentionner une barre brune bien avant que le terme ne prenne son sens actuel. Onze ans plus tard, l’astronome américano-suisse Fritz Zwicky, parfois appelé le « père de la matière noire », a fait de même.
« Kapteyn n’avait aucune idée que l’Univers était plus grand que notre propre galaxie de la Voie lactée. Il a montré que l’on peut en principe traquer la matière invisible – et calculer sa masse – en mesurant la vitesse des étoiles. Zwicky a effectué de telles mesures pour des galaxies individuelles dans un amas distant de plusieurs centaines de millions d’années-lumière. Mais à son époque, il y avait encore beaucoup d’incertitude sur l’univers en expansion et les observations étaient rares. Zwicky a signalé que quelque chose se passait, mais il n’a pas non plus vraiment mis le mystère de la matière noire sur la carte. »
Quand la matière noire a-t-elle vraiment été considérée comme un problème sérieux ?
« Tout a commencé avec les travaux de l’astronome américaine Vera Rubin. Rubin et son collègue Kent Ford ont montré à la fin des années 1960 que les régions extérieures des galaxies tournent beaucoup plus vite que prévu. Les radioastronomes ont fait des mesures similaires. Le terme « matière noire » n’apparaît même pas dans les premières publications de Rubin et Ford. Ce n’est qu’au milieu des années 1970 que tout le monde est devenu convaincu de l’existence de vastes quantités de matière noire mystérieuse.
« Cela était dû à l’essor de la cosmologie – l’étude de l’univers dans son ensemble. Grâce à toutes sortes de nouvelles technologies, souvent dérivées indirectement de la guerre froide, il a été possible de décrire la structure et l’évolution de l’univers entier de manière physique. Une nouvelle génération de jeunes cosmologistes a voulu répondre à la question de savoir quelle masse contient l’univers dans son ensemble, car elle fixe l’avenir : l’espace s’étend-il toujours après le Big Bang, ou la gravité cesse-t-elle de s’étendre ?
« Cette dernière option était populaire, mais le cosmos devait alors contenir beaucoup de matière invisible. Et puis, soudain, il y a eu trois « problèmes » qui pouvaient être résolus avec une idée globale : les mouvements des galaxies dans les amas, la rotation rapide des galaxies et la « matière manquante » des cosmologistes. Cette idée était le concept actuel de matière noire, que nous devons en grande partie aux travaux de Jim Peebles, qui a reçu le prix Nobel de physique pour cela en 2019. »
Et puis les physiciens des particules se sont soudainement tournés vers l’énigme.
« Oui, à peu près à la même époque, il y avait une symbiose entre la cosmologie et la physique des particules – quiconque étudie le Big Bang a besoin des deux domaines. Je suis convaincu que le problème de la matière noire a joué un rôle important dans cette synthèse. Peebles a montré que la matière mystérieuse doit être constituée de particules élémentaires inconnues et que cela explique également l’origine de la structure à grande échelle de l’univers, avec ses amas et superamas de galaxies.
« Dans les années 1970, la physique des particules a également été une grande réussite. Les physiciens avaient développé le modèle standard, qui décrit toutes les particules et forces connues. De puissants accélérateurs de particules ont été construits au Cern en Amérique et en Europe. Les nouvelles découvertes se succèdent à un rythme effréné. Il y avait un fort sentiment de « nous comprenons comment cela fonctionne, nous trouverons cette particule de matière noire ». Mais oui, nous sommes maintenant plus de quarante ans plus tard et l’énigme n’est toujours pas résolue.
« Il n’est donc pas surprenant qu’il y ait eu récemment un regain d’intérêt pour les théories alternatives de la gravité, comme celle de mon co-directeur Erik Verlinde. Selon lui, la matière noire n’existe pas du tout, mais nous devons comprendre la gravité et les lois fondamentales de la nature d’une toute nouvelle manière. Beaucoup est en jeu; fascinant.
« Mes propres recherches sur l’histoire de la matière noire montrent en tout cas que la science n’est en aucun cas un processus linéaire et qu’il faut être prudent avec le terme « preuve concluante ». De plus, la matière noire est un problème différent pour chacun. Pour les physiciens des particules, il s’agit d’une nouvelle physique au-delà du modèle standard, pour les astronomes, il s’agit d’expliquer les propriétés de l’univers et pour des gens comme Verlinde, il s’agit de notre compréhension de la gravité.
Le terme « matière noire » a maintenant cent ans. Verrons-nous un jour la solution du mystère ?
« Pour de nombreux scientifiques, la quête commence à devenir frustrante. Je travaille sur une étude anthropologique de l’expérience souterraine Xenon en Italie, qui a été une longue recherche de matière noire – sans succès jusqu’à présent. D’un côté, il y a le romantisme de la recherche de quelque chose de fondamental ; de l’autre, la banalité du travail quotidien, dans lequel une armée d’étudiants s’affaire à nettoyer littéralement chaque vis à la perfection, afin de rendre l’expérience la plus sensible possible. Il y a quelque chose de tragique dans cette combinaison.
« D’autre part, les ondes gravitationnelles – des ondulations minuscules dans l’espace-temps – ont également été mesurées pour la première fois un siècle après avoir été prédites par Albert Einstein. Et les biologistes ont également recherché une sorte de bloc de construction génétique de la vie bien avant la découverte de l’ADN.
« Je pense que nous devrions réfléchir au rôle de la science dans l’organisation de notre société. Nous sommes en pleine crise écologique ; la terre est en feu. Mais les physiciens savent très bien ignorer le reste du monde. Ils rêvent déjà d’un accélérateur de particules encore plus grand et plus cher comme nouvelle arme dans leur croisade pour comprendre la nature. Tout cela en vaut-il vraiment la peine ? Quand est-ce suffisant ? Je pense que c’est un champ de tension dans lequel la physique n’a pas encore trouvé de chemin.