🌑 Matière noire — Courbes de rotation des galaxies

Le profil de Navarro-Frenk-White (NFW) a été dérivé en 1996 à partir de simulations cosmologiques à N corps de matière noire froide. Il décrit la densité du halo comme rho(r) = rho_0 / [(r/r_s)(1+r/r_s)^2], où r_s est le rayon d'échelle. Aux petits rayons, la densité croît comme 1/r (un pic), et aux grands rayons elle décroît comme 1/r^3. La masse enfermée croît de façon logarithmique, produisant une courbe de rotation presque plate sur une large plage de rayons. Les halos NFW sont caractérisés par seulement deux paramètres — la masse du halo M_200 et la concentration c = r_200/r_s — ce qui les rend très pratiques pour ajuster les observations.

La courbe de rotation de la Voie lactée est plate à environ 220 km/s de 5 kpc jusqu'à au moins 60 kpc. Andromède (M31) montre un comportement similaire. Parmi les exemples les plus frappants figurent les galaxies à faible brillance de surface (LSB), qui contiennent presque aucune étoile visible dans leurs régions externes mais montrent la même courbe plate — ce qui signifie que le halo de matière noire domine complètement. La galaxie NGC 3198 est devenue un cas d'école classique après que van Albada et al. (1985) ont démontré que sa courbe de rotation jusqu'à 30 kpc ne pouvait s'expliquer que par un halo de matière noire massif.

La dynamique newtonienne modifiée (MOND), proposée par Mordehai Milgrom en 1983, suggère que la gravité se comporte différemment à de très faibles accélérations (en dessous d'environ 1,2 × 10^-10 m/s^2), produisant naturellement des courbes de rotation plates sans matière noire. MOND s'ajuste bien à de nombreuses galaxies individuelles, mais peine à expliquer la dynamique des amas de galaxies (l'amas de la Balle en particulier), le spectre d'anisotropie du fond diffus cosmologique et la formation des structures à grande échelle. Le point de vue scientifique dominant reste que la matière noire est réelle, bien que des théories inspirées de MOND comme TeVeS et des variantes relativistes de MOND soient encore étudiées activement.

Fritz Zwicky a d'abord déduit une masse manquante dans l'amas de galaxies de la Chevelure de Bérénice en 1933 à partir des vitesses des galaxies membres. Horace Babcock a mesuré une courbe de rotation croissante dans Andromède dès 1939. La confirmation systématique est venue de Vera Rubin et Kent Ford à partir de 1970, qui ont mesuré les courbes de rotation de dizaines de galaxies spirales avec des spectrographes à haute sensibilité et ont montré sans ambiguïté que les courbes sont plates bien au-delà du disque optique. Les travaux de Rubin, combinés aux simulations à N corps de la fin des années 1970 et 1980, ont établi le halo de matière noire comme le modèle cosmologique standard.

Au-delà des courbes de rotation, la matière noire est soutenue par les lentilles gravitationnelles (les amas de galaxies courbent la lumière bien plus que ne le permet leur masse visible), l'amas de la Balle (où deux amas en collision montrent que le gaz est ralenti par l'électromagnétisme tandis que les halos de matière noire se sont traversés l'un l'autre), le spectre de puissance du fond diffus cosmologique (qui encode le rapport entre matière baryonique et matière noire), et les simulations de structure à grande échelle qui ne reproduisent les filaments et les vides observés que lorsque la matière noire est incluse. Chacune de ces lignes de preuve indépendantes indique la même fraction de matière noire, soit environ 27 % de la densité totale d'énergie de l'Univers.

Le candidat le plus étudié, les WIMP (particules massives interagissant faiblement), aurait des masses comprises entre 10 GeV et quelques TeV et interagirait via la force nucléaire faible. Des détecteurs souterrains tels que LUX-ZEPLIN (LZ), XENONnT et PandaX-4T recherchent le minuscule recul lorsqu'un WIMP se disperse sur un noyau lourd. Le Grand collisionneur de hadrons du CERN recherche la production de paires de matière noire sous forme d'énergie transverse manquante dans les événements de collision. Les expériences sur les axions (ADMX, HAYSTAC) sondent une autre plage de masse autour de 10^-5 eV. À ce jour, aucune détection directe confirmée n'a été signalée, mais les limites sur les sections efficaces des WIMP se sont améliorées de plusieurs ordres de grandeur depuis les années 1990.

Malgré des décennies de recherche, la matière noire n'a jamais été détectée directement en tant que particule. Le « problème du cusp-core » interroge si les profils NFW décrivent avec précision les centres des halos, car les observations des galaxies naines préfèrent souvent des cœurs à densité plate plutôt que des pics prononcés. Le « problème des satellites manquants » note que les simulations de matière noire froide prédisent bien plus de petits sous-halos que le nombre de galaxies satellites observées autour de la Voie lactée. Les modèles de matière noire auto-interagissante (SIDM) tentent de résoudre ces écarts à petite échelle. Les trous noirs primordiaux et la matière noire floue ultralégère sont d'autres candidats faisant l'objet de recherches actives.