La matière noire, un produit du Big Bang ? Pas si vite : un nouveau modèle mathématique permet d'envisager l'antériorité de la matière noire. Une nouvelle piste pour la détecter.

La matière noire joue peut-être un rôle fondamental dans l’expansion de l’Univers depuis son origine. Elle est d’autant plus mystérieuse qu’elle n’a jamais été prouvée par l’observation. Le satellite d’Euclid sera lancé en 2022 pour essayer de l’étudier. Mais voilà qu’une étude publiée ce 7 août dans Physical Review Letters rend la matière noire encore plus étrange qu’elle ne l’est déjà, en envisageant son antériorité au Big Bang.

Selon l’hypothèse la plus admise aujourd’hui, il y a  13,7 milliards d’années toute la matière était concentrée en un point extrêmement petit et homogène, jusqu’à ce qu’advienne le Big Bang, une expansion massive et soudaine de l’espace-temps. Or, la matière noire aurait une influence gravitationnelle sur la matière normale. C’est ce qui permet d’envisager son rôle potentiellement essentiel dans les fluctuations primordiales ayant permis la formation des galaxies et des amas de galaxies (autant qu’elle serait encore à l’origine de l’expansion de l’Univers).

La matière noire n’a jamais été observée directement. // Source : Flickr/CC/Nasa Goddard Space Flight Center (photo recadrée)

Du fait de ce possible rôle originel, on pense habituellement que la matière noire proviendrait du Big Bang ; qu’elle serait née après, pendant l’inflation. Le problème, c’est que cette mystérieuse matière n’a jamais été observée. Or, selon Tommi Tenkanen, astronome et physicien à l’origine de la nouvelle étude, « si la matière noire était vraiment un vestige du Big Bang, alors les chercheurs auraient déjà dû voir un signal de matière noire dans les expériences de physique des particules ».

La chronologie n’est peut-être pas celle que l’on croit

Mais alors, quelle conclusion en tirer ? Que la matière noire n’existe pas ? Pour Tommi Tenkanen, cela suggère surtout que l’on se trompe depuis le début sur son origine. La matière noire était peut-être déjà présente dans la soupe primordiale de tout ce qui existe aujourd’hui. Elle serait en fait apparue quelques micro-fractions de secondes avant la singularité initiale du Big Bang.

L’histoire de l’Univers.

Cette idée se base sur un élément fondamental du débat en astrophysique sur la chronologie des origines de l’Univers. On admet en général que le Big Bang est l’instant zéro, une singularité initiale, et que l’inflation elle-même a eu lieu 10-32 secondes après. Mais à l’inverse, pour certains scientifiques, cette inflation aurait eu lieu 10-32 secondes avant le Big Bang.

Si l’on en croit cette théorie, la puissante singularité survenue il y a 13,7 milliards d’années était le résultat d’une période d’inflation débutée avant. En somme, il y aurait eu un état cosmique préalable à l’instant zéro de l’Univers tel que nous le connaissons. C’est dans ce cadre de pensée qu’intervient la proposition de Tommi Tenkanen : la matière normale serait bien apparue au moment du Big Bang, mais la matière noire aurait été créée durant l’inflation qui l’a précédé, antérieurement à l’instant zéro.

C’est élémentaire

« Si la matière noire se compose de nouvelles particules nées avant le Big Bang, elles affectent la façon dont les galaxies sont réparties dans le ciel d’une manière unique, explique le physicien. Ce lien peut être utilisé pour révéler leur identité et tirer des conclusions sur les temps qui ont précédé le Big Bang ».

Envisager que la matière noire est née avant le Big Bang bouleverse notre façon de comprendre cette hypothétique matière. Si elle était présente dans la soupe primordiale, cela signifie que les particules de matière noire sont des particules élémentaires. Ces particules dites aussi « scalaires » ont été générées directement par l’inflation cosmique. La seule découverte à ce jour est le fameux boson de Higgs.

L’étude apporte donc la possibilité d’un nouveau lien entre la physique des particules et l’astronomie. Et ainsi, une toute nouvelle façon de chercher la matière noire peut émerger. « Bien que ce soit trop insaisissable pour être trouvé dans les expériences sur les particules, cette matière peut révéler sa présence dans les observations astronomiques », indique Tommi Tenkanen.

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