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La matière noire dans l’Univers

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Françoise Combes

Introduction

Serge Haroche

Texte intégral

1L’observation du ciel a toujours fasciné l’humanité. Celle-ci a de tout temps été persuadée que les mystères de son origine et de son avenir étaient liés à ceux du monde cosmique. Ce lien fut d’abord religieux, fondé sur des mythes attribuant au Soleil, à la Lune et aux planètes des rôles dans un scénario universel où l’homme tenait une place centrale. Depuis la Renaissance en Europe, la perspective a changé. Les mythes n’ont pas entièrement disparu – songeons à l’astrologie, qui continue à lier la destinée des hommes au mouvement des astres. Les approches irrationnelles et religieuses ont cependant été largement supplantées par la démarche scientifique, fondée sur l’observation précise du ciel et la construction de modèles et de théories qui en rendent comptent et font des prédictions que de nouvelles observations viennent confirmer ou infirmer.

2Au cours de ce long processus, la perspective a profondément changé. Jusqu’au milieu du xvie siècle, la Terre, notre habitat, était placée au centre de l’Univers. Copernic, Kepler et Galilée la déclassèrent alors de façon radicale en nous apprenant qu’elle n’était pas fixe, mais tournait comme une vulgaire planète autour du Soleil, ce que les lois de Newton confirmèrent en détail. Puis, dans les siècles suivants, les progrès de l’observation et de la théorie poursuivirent ce processus de déclassement. Nous apprîmes successivement que le Soleil et son cortège de planètes n’était qu’une province périphérique de notre galaxie d’étoiles, la Voie lactée, qui en compte des centaines de milliards d’autres ; puis que notre galaxie n’en était qu’une parmi d’une multitude d’autres, de taille comparable ou plus grande que la nôtre. Nous nous demandons maintenant si l’Univers que nous observons est bien le seul ou s’il n’en existe pas d’autres, parallèles au nôtre, à jamais invisibles et inobservables.

3Dans ce vertigineux changement de point de vue, un aspect essentiel est resté inchangé. L’intuition initiale de l’humanité – qui était que l’origine de la vie et sa destinée étaient écrites dans le ciel – est restée profondément vraie. Les atomes dont nous sommes faits – l’hydrogène et l’oxygène de nos muscles, le fer de notre hémoglobine, le calcium de nos os – se sont formés à partir de matière primordiale – protons, électrons et neutrons – par nucléosynthèse dans les étoiles. Et les molécules complexes de la vie sont apparues au terme d’un long processus d’évolution rendu possible par un environnement favorable sur la Terre, qui s’est peut-être, pour ne pas dire sans doute, rencontré sur d’autres planètes tournant autour d’autres étoiles dans d’autres galaxies. Nous apprenons aujourd’hui, par les observations d’exoplanètes, qu’il en existe certainement beaucoup qui pourraient remplir les conditions – de température, d’éclairement par leur étoile et de présence d’eau et d’oxygène – rendant la vie possible. Et, de là à penser que cette vie puisse être ou avoir été intelligente, nous ne sommes pas loin. Non seulement nous ne sommes plus au centre du monde, mais nous ne sommes peut-être pas non plus les seuls êtres conscients, ni les plus civilisés, à le peupler.

4Toutes ces découvertes fascinantes, nous les devons aux sciences cousines que sont l’astronomie observationnelle et l’astrophysique. Elles ont connu des développements extraordinaires au cours du siècle dernier, tant dans le domaine de la technologie et de l’instrumentation, que dans celui de la théorie et des moyens de calcul. Des télescopes optiques ou des antennes à micro-ondes géantes construits sur Terre dans des endroits aussi exotiques que le désert chilien, les montagnes de Hawaï ou le pôle Sud scrutent le ciel avec une résolution toujours croissante. Des instruments embarqués dans des satellites, de tailles plus modestes, mais ayant l’avantage d’être soustraits aux distorsions et à l’absorption des ondes électromagnétiques par l’atmosphère, complètent les informations obtenues au sol.

5La résolution de ces instruments, constamment améliorée par des tours de force d’optique adaptative et la mise au point de détecteurs de rayonnement électromagnétique ultrasensibles, dans une gamme de longueurs d’onde toujours plus étendue, a permis aux astronomes d’observer l’Univers jusqu’à ses profondeurs les plus grandes, c’est-à-dire jusqu’aux temps les plus reculés. Nous avons tous vu ces images extraordinaires de nébuleuses dont les tailles se mesurent en millions d’années-lumière, ressemblant à de gigantesques nuages dans lesquels se forment constamment des étoiles nouvelles, ou encore ces vues panoramiques du ciel montrant des millions de galaxies formées de milliards de milliards d’étoiles dans toutes les directions du ciel. Ces galaxies sont nées de fluctuations cosmiques qui ont laissé leur trace dans le rayonnement micro-onde du fond cosmologique, dont la détection nous fournit une image de l’Univers au moment où, il y a 13,8 milliards d’années, il est devenu transparent à la lumière.

6Pour remonter plus loin dans le temps, pour sonder l’Univers aux moments qui ont suivi le Big Bang, ce n’est plus la lumière qui peut directement nous renseigner, car la soupe cosmique de ces temps reculés lui était opaque. Seules les ondes de gravitation, prédites par la théorie de la relativité générale d’Einstein, ont pu traverser ce milieu primordial et imprimer leur trace sur le rayonnement cosmologique qui s’en est échappé. Ce sont ces traces que les astrophysiciens cherchent actuellement à détecter sur Terre, grâce au grand radiotélescope du pôle Sud, ou dans l’espace, grâce au satellite Planck. Ainsi se précise toujours mieux le scénario de l’origine de l’Univers, avec des chapitres aux noms mystérieux, comme « inflation » ou encore « expansion accélérée ».

7L’interprétation de ces phénomènes a suivi les progrès de l’instrumentation. Elle fait appel à la théorie de la relativité générale, mais aussi à la physique quantique, à l’hydrodynamique, à la physique des plasmas et sans doute à une physique encore inconnue. Et la résolution des équations dérivant de ces théories requiert des moyens de calculs ultrapuissants. C’est de la comparaison entre les observations, toujours plus précises, et les calculs, toujours plus raffinés, que se dévoile un univers qui nous réserve encore beaucoup de surprises. Pour n’en citer qu’une, la dynamique des galaxies, telle qu’elle est observée, ne peut résulter du seul jeu des forces newtoniennes de gravitation causées par la matière directement visible. Celle-ci semble ainsi ne représenter qu’une faible partie de la masse de l’Univers, à laquelle doit s’ajouter une « matière noire », n’interagissant pas avec la lumière, dont la nature nous reste inconnue. À moins que ce ne soient les équations de la gravitation de Newton et d’Einstein qu’il faille modifier, ce qui serait une découverte d’une importance immense, comparable à ce que fut la théorie newtonienne elle-même ou encore celle de la relativité générale.

8À défaut d’une telle remise en cause, l’existence de cette matière noire apparaît inéluctable. Et cette existence ajoute un autre élément d’humilité à notre perception du monde. Non seulement nous n’habitons qu’un tout petit coin de l’Univers, n’ayant rien de spécial, non seulement nous ne sommes sans doute pas seuls dans cet Univers immense, mais la matière dont nous sommes faits et qui nous est familière n’est qu’une toute petite partie de celle qui constitue le monde… On peut difficilement aller plus loin dans l’entreprise de démythification de l’image narcissique de l’homme comme centre de la Création, communément admise au moment où le Collège de France a été créé, il y a près de cinq siècles. Paradoxalement, cette démythification est également un triomphe de la civilisation, puisque c’est par leurs qualités d’observation et de déduction, motivées par leur curiosité pure et leur soif insatiable de connaissance, que les astronomes et les astrophysiciens sont arrivés à ces conclusions.

9Domaines de recherche fondamentale par excellence, qui s’appuient sur les mathématiques et la physique et de plus ouvrent à des interrogations pluridisciplinaires sur l’homme et sa place dans la nature, l’astronomie et l’astrophysique ont leur place naturelle dans notre institution, dont la vocation est comme on le sait d’« enseigner toutes choses » (Docet omnia). Jusqu’au début du xviiie siècle, l’enseignement de l’astronomie est resté pourtant curieusement absent du Collège royal, la première chaire dans cette discipline étant celle de Joseph-Nicolas Delisle, créée en 1718. En me livrant, pour préparer cette introduction, à mon enquête habituelle sur l’histoire des chaires du Collège, j’ai compté qu’il y avait eu dans notre institution beaucoup plus de chaires d’éloquence latine que d’astronomie, trente contre treize pour être exact. Cela donne, sur les trois derniers siècles, une moyenne de plus de trente ans par chaire d’astronomie, ce qui tend à prouver que la pratique de cette science est un gage de longévité. Cette longévité, combinée à la tradition qui voulait qu’il n’y eût qu’un titulaire dans cette discipline, explique peut-être aussi pourquoi certains grands astronomes français du passé manquent à l’appel, un seul professeur occupant la place sans limite d’âge. Si Jean-Baptiste Delambre, l’arpenteur du méridien dont les mesures ont conduit à la définition du mètre, a été professeur au Collège de France, quelques autres grands astronomes français, les Gassendi, Lagrange et Le Verrier par exemple, n’y ont jamais enseigné. Je m’en suis consolé en notant avec soulagement que nous n’avions jamais accueilli non plus de chaire d’astrologie à une époque où, pourtant, les rois et même parfois certains présidents auraient pu être tentés d’y imposer leur devin favori. De façon plus sérieuse et plus positive, il est bon de constater que, depuis quelques décennies, le Collège de France n’applique plus la règle de l’astronome titulaire unique. Nous avons eu deux chaires dans cette discipline dans les années 1960 et 1970, avec André Lallemand et Jean-Claude Pecker, puis à nouveau deux chaires dans les années 2000, avec Antoine Labeyrie et Gabriele Veneziano.

10C’est à ces grands astronomes et astrophysiciens d’un passé récent que succède l’astrophysicienne qui donne aujourd’hui la leçon inaugurale de sa chaire « Galaxie et cosmologie ». Françoise Combes, première femme à occuper cette chaire au Collège de France, joue un rôle majeur dans cette science qui sonde nos origines et en dévoile les mystères. Elle est une des grandes spécialistes, au niveau mondial, de la formation des galaxies, de leur dynamique et de leur évolution depuis le Big Bang. Ses recherches couvrent à la fois des aspects observationnels qui lui ont permis de détecter des galaxies primordiales, formées dans le premier milliard d’années de l’Univers, et des aspects théoriques avec des travaux pionniers de simulation numérique qui contribuent à nous faire comprendre les mécanismes d’émergence des structures galactiques. Ses travaux ont été une étape importante dans la découverte de l’existence probable de la matière noire ou de son alternative, une version modifiée de la gravité newtonienne. Ils sont ainsi au cœur de questions essentielles, tant pour comprendre le scénario de la formation des structures de l’Univers que pour en décrire la composition présente.

11Françoise Combes, vous savez équilibrer, à un point rarement atteint dans votre domaine, des activités observationnelles auprès de grands instruments et des activités de modélisation utilisant les moyens de calcul les plus puissants. Comme c’est souvent le cas pour les grands chercheurs, votre réussite résulte d’une double chance. Vous avez eu celle d’arriver dans le monde de la recherche au moment où, dans les années 1970, les progrès de l’instrumentation ouvraient de vastes fenêtres à l’observation de l’Univers. Et la communauté des astrophysiciens a eu la chance de vous voir arriver en son sein à ce moment-là, avec votre enthousiasme, votre dynamisme, votre grande aptitude à la conceptualisation et vos qualités d’organisatrice et de directrice d’équipe de recherche, dans un domaine où le travail s’accomplit de plus en plus de façon collective. Enfin, une de vos grandes qualités est que, contrairement aux astronomes d’un passé déjà lointain qui préservaient jalousement leur chaire de toute concurrence, votre esprit ouvert nous aidera, je l’espère, à créer une autre chaire dans un domaine de l’astrophysique complémentaire du vôtre.

12Vos qualités ont été reconnues à toutes les étapes de votre carrière, depuis votre admission comme étudiante à l’École normale supérieure, où vous vous êtes initiée à votre science et avez ensuite enseigné durant une dizaine d’années, avant de devenir astronome à l’Observatoire de Paris. Cette reconnaissance a culminé avec votre cooptation à l’Académie des sciences en 2004 et, maintenant, votre arrivée au Collège de France. Je suis sûr que vous saurez y attirer, comme aujourd’hui, un auditoire exigeant et enthousiaste. Je vous donne la parole pour que vous nous présentiez votre leçon inaugurale, La Matière noire dans l’Univers.

Auteur

Administrateur du Collège de France

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