Le modèle standard de la physique des particules est actuellement notre meilleure interprétation du fonctionnement de l’univers, mais il ne décrit qu’environ 5 % de ce qu’il contient. Le reste est constitué de ce que nous appelons la matière noire et l’énergie noire, qui ne sont connues jusqu’ici que par leurs interactions gravitationnelles avec la matière régulière. Récemment, un astrophysicien de l’université d’Oxford a avancé une nouvelle théorie qui suggère que la matière noire et l’énergie noire font partie du même phénomène : un « fluide noir » avec une masse négative qui remplit l’univers.

Image d’entête : une forte lentille gravitationnelle, telle qu’observée par le télescope spatial Hubble dans l’amas de galaxies Abell 1689, indique la présence de matière noire (en mauve). (NASA/ ESA/ E. Jullo/ Natarajan/ J-P. Kneib)

D’une certaine manière, la matière noire et l’énergie noire sont deux concepts à caractère générique, qui comblent des trous entre le modèle standard et ce que nous observons réellement. Par exemple, le mouvement et la distribution observés des galaxies n’ont aucun sens si leur masse est limitée à ce que nous pouvons voir. Depuis les années 1930, cette masse supplémentaire cachée est appelée matière noire.

L’énergie noire est un concept plus récent. L’observation selon laquelle l’expansion de l’univers semble s’accélérer n’a été faite qu’en 1998, lorsqu’on a découvert que les objets plus éloignés s’éloignent de nous plus rapidement que ceux qui sont plus proches. La mystérieuse force qui l’anime, que nous connaissons encore très peu, est maintenant appelée énergie noire.

Ensemble, la matière noire et l’énergie noire forment la base de notre modèle standard actuel de cosmologie du Big Bang, le modèle ΛCDM (ou Lambda-CDM). Lambda (Λ) dans ce nom désigne l’énergie sombre comme une sorte de constante cosmologique, tandis que le CDM (Cold Dark Matter) signifie « matière noire froide », ce qui semble être la théorie la plus précise de la matière, elle est « froide » parce qu’elle se déplace relativement lentement et interagit assez peu avec la matière ordinaire.

La matière noire et l’énergie noire ont toujours été traitées comme des entités séparées, mais sont-elles en fait les deux faces d’une même pièce ? C’est l’idée centrale de la nouvelle théorie avancée par l’astrophysicien d’Oxford Jamie Farnes, qui pourrait s’inspirer du modèle Lambda-CDM. Selon la nouvelle théorie de Farnes, 95 % du cosmos est composé d’un « fluide noir », et la matière noire et l’énergie noire sont effectivement les deux « symptômes » de ce phénomène sous-jacent.

Ce fluide noir aurait besoin d’avoir une masse négative. Cela ressemble à un concept de science-fiction : comment une chose peut-elle avoir une masse de -1 kg ? Mais selon la physique newtonienne, c’est tout à fait possible, quoiqu’encore hypothétique.

Quelque chose qui a une masse négative aurait des caractéristiques assez bizarres. D’une part, les forces sont inversées, donc si vous poussez une balle avec une masse négative, elle accélérerait vers votre main, au lieu de s’en éloigner. Cela signifie aussi qu’elle présente une sorte de gravité négative, qui repousse les autres matériaux au lieu de les attirer.

Si le cosmos est rempli de fluide noir, sa gravité négative repousserait tout le reste, exactement le phénomène observé pour lequel l’énergie noire a été inventée pour le justifier. Pendant ce temps, ce n’est pas l’attraction gravitationnelle d’un halo de matière noire qui maintient les galaxies ensemble, c’est la « poussée » négative du fluide noir qui les entoure. Les galaxies de matière régulière sont essentiellement des bulles flottant dans un fluide sombre cosmologique.

L’un des principaux problèmes de la théorie est que nous ne savons pas encore si des masses négatives existent. Mais, selon Farnes, d’autres forces physiques semblent toutes polarisées dans l’étude, alors pourquoi la masse ne serait-elle pas aussi positive et négative ?

Par exemple, les charges électriques (+ et -), les charges magnétiques (N et S) et même les informations quantiques (0 et 1) semblent toutes être des phénomènes fondamentalement polarisés. Il peut donc sembler étrange que les charges gravitationnelles (appelées masses) ne soient constituées que de monopôles positifs.

D’autres études récentes ont réussi à créer des fluides et des particules qui présentent les propriétés d’une masse négative, ce qui donne plus de poids à cette idée.

Un autre problème avec la théorie est qu’à mesure que l’univers s’étend, le fluide noir s’amincit au point que ses effets ne sont plus visibles. Pour contrer cela, Farnes introduit un « tenseur de création » dans ses équations, qui suggère essentiellement que cette matière de masse négative est constamment créée à nouveau, maintenant le fluide noir avec une consistance régulière au fil du temps.

Cela peut sembler un peu trop pratique, mais l’idée de la création de matière a un précédent. Elle faisait partie de la théorie de l’état stationnaire, une ancienne alternative à la théorie du Big Bang qui a depuis été réfutée par des observations. Mais il s’agissait de matière normale (ou de masse positive). Pour Farnes, la matière de masse négative pourrait encore se comporter de cette façon :

Les précédentes approches visant à combiner l’énergie noire et la matière noire ont tenté de modifier la théorie de la relativité générale d’Einstein, qui s’est révélée incroyablement difficile à appliquer. Cette nouvelle approche prend deux vieilles idées qui sont connues pour être compatibles avec la théorie d’Einstein, les masses négatives et la création de matière, et les combine ensemble. Le résultat semble plutôt séduisant : l’énergie sombre et la matière sombre peuvent être unifiées en une seule substance, les deux effets s’expliquant simplement comme une matière de masse positive surfant sur une mer de masses négatives.

Si c’est vrai, la théorie du fluide noir pourrait expliquer pourquoi la quête constante de particules de matière noire est toujours restée vaine. Bien sûr, il y a toutes les chances que Farnes se trompe, et l’astrophysicien le reconnaît, mais il espère au moins que cela permettra à la communauté scientifique de discuter d’idées différentes. Pour trouver des preuves appuyant cette idée, Farnes prévoit d’utiliser le radiotélescope géant Square Kilometer Array (SKA) pour comparer les observations de l’univers aux prédictions faites par la théorie des fluides noirs, y compris la recherche de signes indiquant que des masses négatives existent dans l’univers.

Le radiotélescope géant Square Kilometer Array en Afrique du Sud. (Wikimedia)

Toujours selon Farnes :

Il reste encore beaucoup de questions théoriques et de simulations informatiques à résoudre, et Lambda-CDM a près de 30 ans d’avance, mais j’ai hâte de voir si cette nouvelle version étendue de Lambda-CDM peut correspondre exactement à d’autres observations de notre cosmologie. S’il était réel, cela suggérerait que les 95 % manquants du cosmos avaient une solution esthétique : nous avions oublié d’inclure un simple signe moins.

L’étude publiée dans la revue Astronomy & Astrophysics : A unifying theory of dark energy and dark matter: Negative masses and matter creation within a modified ΛCDM framework et annoncée sur le site de l’université d’Oxford : Bringing balance to the Universe.