Quel est le problème?

Nous sommes entourés de matière. En fait, nous SOMMES matière. Tout ce que nous détectons dans l'univers est également important. C'est tellement fondamental que nous acceptons simplement que tout est fait de matière. C'est la pierre angulaire de tout: la vie sur Terre, la planète sur laquelle nous vivons, les étoiles et les galaxies. Il est généralement défini comme tout ce qui a de la masse et occupe un volume d'espace.

Les éléments constitutifs de la matière sont appelés "atomes" et "molécules". Eux aussi sont importants. La matière que nous pouvons détecter normalement est appelée matière "baryonique". Cependant, il existe un autre type de matière qui ne peut pas être directement détecté. Mais son influence peut. C'est ce qu'on appelle la matière noire. 

Matière normale

Il est facile d'étudier la matière normale ou "matière baryonique". Il peut être décomposé en particules sub-atomiques appelées leptons (électrons par exemple) et quarks (les blocs de construction des protons et des neutrons). Ce sont eux qui composent les atomes et les molécules qui sont les composants de tout, des humains aux étoiles.

Illustration informatique d'un modèle atomique contenant des atomes, des protons, des neutrons et des électrons. Ce sont les éléments constitutifs de la matière normale. Photothèque scientifique / Getty Images

La matière normale est lumineuse, c'est-à-dire qu'elle interagit électromagnétiquement et gravitationnellement avec d'autres matières et avec le rayonnement. Elle ne brille pas nécessairement comme on pense à une étoile qui brille. Il peut émettre d'autres rayonnements (tels que l'infrarouge).

Un autre aspect qui surgit lorsque la matière est discutée est ce qu'on appelle l'antimatière. Considérez-le comme l'inverse de la matière normale (ou peut-être une image miroir) de celle-ci. Nous en entendons souvent parler lorsque les scientifiques parlent des réactions matière / anti-matière comme sources d'énergie. L'idée de base de l'antimatière est que toutes les particules ont une anti-particule qui a la même masse mais un spin et une charge opposés. Lorsque la matière et l'antimatière entrent en collision, elles s'annihilent et créent une énergie pure sous forme de rayons gamma. Cette création d'énergie, si elle pouvait être exploitée, fournirait d'énormes quantités d'énergie à toute civilisation qui pourrait comprendre comment le faire en toute sécurité.

Matière noire

Contrairement à la matière normale, la matière noire est un matériau non lumineux. Autrement dit, il n'interagit pas électromagnétiquement et par conséquent il apparaît sombre (c'est-à-dire qu'il ne réfléchira pas ou ne dégagera pas de lumière). La nature exacte de la matière noire n'est pas bien connue, bien que son effet sur d'autres masses (telles que les galaxies) ait été noté par des astronomes tels que le Dr Vera Rubin et d'autres. Cependant, sa présence peut être détectée par l'effet gravitationnel qu'elle a sur la matière normale. Par exemple, sa présence peut contraindre les mouvements des étoiles dans une galaxie, par exemple.

Matière noire dans l'univers. Pourrait-il être fait de WIMP? Cette image Hyper Suprime-Cam montre une petite section (14 minutes d'arc par 9,5 minutes d'arc) d'amas de galaxies avec les contours d'une concentration de matière noire et une partie d'une autre tracée avec des lignes de contour. Télescope Subaru / Observatoire astronomique national du Japon

Actuellement, il existe trois possibilités de base pour les "choses" qui composent la matière noire:

• Matière noire froide (MDP): Il existe un candidat appelé la particule massive à faible interaction (WIMP) qui pourrait être la base de la matière noire froide. Cependant, les scientifiques ne savent pas grand-chose à ce sujet ni comment il aurait pu se former au début de l'histoire de l'univers. D'autres possibilités pour les particules CDM incluent les axions, cependant, elles n'ont jamais été détectées. Enfin, il existe des MACHO (MAssive Compact Halo Objects), ils pourraient expliquer la masse mesurée de matière noire. Ces objets comprennent des trous noirs, d'anciennes étoiles à neutrons et des objets planétaires qui sont tous non lumineux (ou presque) mais contiennent encore une quantité importante de masse. Cela expliquerait commodément la matière noire, mais il y a un problème. Il devrait y en avoir beaucoup (plus que ce à quoi on pourrait s'attendre étant donné l'âge de certaines galaxies) et leur distribution devrait être incroyablement bien répartie dans tout l'univers pour expliquer la matière noire que les astronomes ont découverte "là-bas". Ainsi, la matière noire froide reste un «travail en cours».
• Matière sombre chaude (WDM): On pense qu'il est composé de neutrinos stériles. Ce sont des particules qui sont similaires aux neutrinos normaux, sauf qu'elles sont beaucoup plus massives et n'interagissent pas via la force faible. Un autre candidat pour WDM est le gravitino. Il s'agit d'une particule théorique qui existerait si la théorie de la supergravité - un mélange de relativité générale et de supersymétrie - gagnait du terrain. Le WDM est également un candidat attrayant pour expliquer la matière noire, mais l'existence de neutrinos stériles ou de gravitinos est au mieux spéculative.
• Matière noire chaude (HDM): Les particules considérées comme de la matière noire chaude existent déjà. Ils sont appelés "neutrinos". Ils voyagent à presque la vitesse de la lumière et ne "s'agglutinent" pas de la même manière que nous projetons la matière noire. Étant donné également que le neutrino est presque sans masse, une quantité incroyable d'entre eux serait nécessaire pour compenser la quantité de matière noire connue pour exister. Une explication est qu'il existe un type ou une saveur de neutrino encore non détecté qui serait similaire à ceux qui existent déjà. Cependant, il aurait une masse beaucoup plus importante (et donc peut-être une vitesse plus lente). Mais ce serait probablement plus semblable à la matière sombre chaude.

Le lien entre la matière et le rayonnement

La matière n'existe pas exactement sans influence dans l'univers et il existe un lien curieux entre le rayonnement et la matière. Cette connexion n'a pas été bien comprise jusqu'au début du 20e siècle. C'est à ce moment qu'Albert Einstein a commencé à penser au lien entre la matière et l'énergie et le rayonnement. Voici ce qu'il a trouvé: selon sa théorie de la relativité, la masse et l'énergie sont équivalentes. Si suffisamment de rayonnement (lumière) entre en collision avec d'autres photons (un autre mot pour des "particules" de lumière) d'une énergie suffisamment élevée, une masse peut être créée. Ce processus est ce que les scientifiques étudient dans des laboratoires géants avec des collisionneurs de particules. Leur travail plonge profondément au cœur de la matière, à la recherche des plus petites particules connues pour exister.

Ainsi, alors que le rayonnement n'est pas explicitement considéré comme de la matière (il n'a pas de masse ou n'occupe pas de volume, du moins pas de manière bien définie), il est lié à la matière. En effet, le rayonnement crée de la matière et la matière crée un rayonnement (comme lorsque la matière et l'anti-matière entrent en collision).

Énergie noire

Prenant la connexion matière-rayonnement un peu plus loin, les théoriciens proposent également qu'un mystérieux rayonnement existe dans notre univers. C'est appelé énergie noire. Sa nature n'est pas du tout comprise. Peut-être que lorsque la matière noire sera comprise, nous arriverons également à comprendre la nature de l'énergie noire.

Édité et mis à jour par Carolyn Collins Petersen.