Human: La matière noire existe t elle ?

Assistant: La matière noire est une catégorie de matière hypothétique, qui n'interagirait ni avec la matière dite ordinaire, ni avec les photons. Il est estimé qu'elle constitue 85% de la matière de l'univers. Sa présence supposée n'est détectée qu'indirectement, à travers son influence gravitationnelle dans des modèles astrophysiques. Dit simplement, les astronomes ont observé plusieurs phénomènes qui ne peuvent être expliqués que si l'espace est rempli de matière invisible qui n'interagit pas avec le champ électromagnétique, détectable uniquement par sa masse et donc son champ gravitationnel.

Dans la mesure où la matière noire n'a jamais été détectée directement, des hypothèses alternatives ont été émises pour expliquer les phénomènes astrophysiques mentionnés ci-dessus: par exemple, que les lois de la gravitation marchent de manière différente à des échelles immenses.

Pour évaluer ces contre-hypothèses, il faut regarder les différents points suggérant l'existence de matière noire:

- **La courbe de rotation des galaxies.** Les étoiles d'une galaxie sont en orbite autour du centre. La vitesse de cette orbite dépend de la distance de l'étoile au centre, de la masse de la galaxie, et de la répartition de cette masse. La vitesse de rotation d'une étoile peut être établie par plusieurs moyens, notamment en analysant son spectre de lumière émise; et la masse totale d'une galaxie peut dont être mesurée à partir de la vitesse de rotation des étoiles en périphérie. La masse des galaxies mesurée de cette façon est nettement inférieure à la masse qui peut être détectée visuellement, eg les étoiles et les amas de gaz de ces galaxies.
- **La structure de l'univers.** Il est possible d'estimer quelle structure l'univers devrait avoir, en partant des conditions initiales du Big Bang, à travers des simulations. Ces simulations doivent prendre en compte la quantité de matière normale, de lumière, et de matière noire présente dans l'univers peu après le Big Bang, et permettent ensuite d'estimer la structure de l'univers: c'est à dire le nombre, la densité et l'espacement de structures à grande échelle, notamment les amas et filaments galactiques. Les simulations n'arrivent à la structure observée de l'univers que lorsque les conditions initiales incluent une grande quantité de matière noire.
- **Les lentilles gravitationnelles.** Une lentille gravitationnelle est un effet optique produit par la présence d'un corps céleste massif entre un observateur et une source de lumière lointaine. Cet effet a par exemple été mesuré pendant l'expérience d'Eddington de 1919 qui a été la première confirmation empirique de la Relativité Générale d'Einstein. La présence d'une lentille gravitationnelle autour d'une galaxie permet d'estimer la masse de cette galaxie. Ces estimations indiquent systématiquement une masse 6x supérieure à la masse attribuable aux étoiles et aux amas de gaz détectés dans la galaxie.
- **L'amas de la Balle.** L'amas de la Balle est le résultat de la collision de deux amas de galaxies. Les étoiles de ces galaxies, étant extrêmement espacées, n'ont pas été beaucoup affectées lors de la collision et la plupart n'ont été que ralenties gravitationnellement. Les gaz chauds, dont on observe le rayonnement X, constituent l'essentiel de la masse dite ordinaire de l'amas. L'effet de lentille gravitationnelle a permis de détecter la répartition de la masse de l'amas. La majorité de la masse se trouve en dehors de l'amas gazeux, suggérant que cette masse n'a pas été ralentit par la collision et qu'elle n'a donc pas interagit avec les gaz chauds. La quantité et la forme de cette masse est cohérente avec l'hypothèse de la présence de matière noire.
- **Le Fond Diffus Cosmologique.** Appelé *Cosmic Microwave Background* en Anglais, le Fond Diffus Cosmologique est un rayonnement électromagnétique très homogène observé dans toutes les directions du ciel. Le fonds a été émis peu de temps après le Big Bang, et permet d'estimer la "courbure" de l'univers, c'est à dire la forme de l'espace-temps entier. Les images du fond cosmologique prises par le satellite Planck en 2013 indiquent que l'univers est probablement plat, c'est à dire que sa géométrie à grande échelle est euclidienne. Cette topologie correspond aux prédictions émises par la théorie de la matière noire.

Il y a deux grandes catégories de théories alternatives à la matière noire: les théories basées sur des lois de la physique différentes à très grande échelle, et les théories basées sur la présence de matière classique non détectée par les astronomes (comme des naines brunes ou des trous noirs).

Ces théories sont généralement très capables d'expliquer le premier phénomène (la courbe de rotation des galaxies). Cependant, elles peinent souvent à expliquer les autres observations, notamment celles autour de l'amas de la Balle. Les observations ci-dessus, prises dans leur ensemble, ne peuvent être expliquées que par la présence d'une grande quantité de matière, qui n'interagit pas avec la matière visible, n'interagit pas avec elle-même, et n'est détectable que par son champ gravitationnel.

Sur la base de toutes ces informations, **le consensus chez les astrophysiciens est que la matière noire existe**, même si sa nature exacte est reste inconnue.