Depuis près d’un siècle, les chercheurs observent un désaccord entre la masse vue et la masse calculée, que ce soit au niveau des galaxies individuelles, des amas de galaxies ou au niveau cosmologique.

Même si toute la matière ordinaire n’est pas observée directement, on connait assez précisément la quantité produite au cours des secondes de l’univers – le reste n’est “que” ré-assemblage de protons et neutrons. Il n’y en a pas assez pour expliquer les résultats des calculs.
Donc soit les calculs sont faux : les équations utilisées ne s’appliquent pas dans ces cas-ci, soit il y a de la matière invisible, sombre ou noire selon les goûts, qui interagit gravitationnellement avec la matière ordinaire mais n’émet aucun rayonnement.
Les deux possibilités ont été largement étudiées mais aujourd’hui l’hypothèse de la matière noire est nettement favorisée par l’observation de l’amas de la Balle et autres cas similaires. L’effet de lentille gravitationnelle permet de tracer la distribution de masse. Or la matière ordinaire n’est pas là où est la majeure partie de la masse : c’est essentiellement incompatible avec une modification des lois de la gravité, c’est cohérent avec ce qu’on attend de la collision entre deux galaxies faites d’étoiles, de gaz et de matière noire.
Les observations cosmologiques s’accordent à dire que l’univers contient aujourd’hui environ 5% de matière ordinaire et 26% de matière noire – le reste étant l’énergie noire. Les enjeux sont de savoir comment se répartit cette matière noire et quelle est sa nature.
Crédit: ESO & D. Coe (STScI)/J. Merten (Heidelberg/Bologna). Image de l’amas Abell 2744 prise par le Very Large Telescope de l’ESO au Chili. Cette structure résulte d’une énorme collision qui a duré 350 millions d’années entre 4 amas de galaxies. Ces données ont permis d’étudier la distribution de matière noire dans cet amas complexe. On voit aisément des arcs et arclets qui sont des galaxies lointaines très déformées par la matière de cet amas.

Ce programme ambitieux demande de nombreux acteurs mais LSST jouera indéniablement un rôle majeur par la qualité de ses images et la quantité de galaxies observées.

La matière noire déforme la trajectoire des rayons lumineux, soit de façon directement visible avec des arcs et arclets, soit statistiquement en modifiant très légèrement l’orientation apparente des galaxies. Avec 3 milliards de galaxies observées environ 800 fois dans 6 bandes de fréquence avec une résolution bien meilleure que la seconde d’arc, les chercheurs pourront remonter à la distribution de matière noire au cours de l’histoire de l’univers. D’autres techniques telles que la magnification, c’est-à-dire le changement statistique non de la forme mais de la luminosité des galaxies, apporteront des informations complémentaires. D’autres types d’analyse utilisant l’effet de micro-lentille gravitationnelle notamment devraient aider à contraindre la nature de la matière noire.