Divulgation cosmique

La mission d’Arrakis pour révéler les mystères de la matière noire

L’Agence spatiale européenne (Esa) a récemment annoncé une nouvelle mission de son programme scientifique : un petit télescope en orbite autour de la Terre, baptisé Arrakhis.

Mais bien que son nom soit inspiré du roman de science-fiction Dune, la mission ne cherchera pas des vers des sables ou des « épices » sur une planète désertique. Au lieu de cela, ce satellite tentera de traquer l’une des substances les plus insaisissables et mystérieuses de l’univers : la matière noire.

C’est le terme donné à la matière invisible hypothétique que l’on pense être plus abondante que la matière normale et avoir un effet gravitationnel similaire sur son environnement.

La mission est classée comme rapide (F), ce qui signifie qu’elle est plus petite, plus ciblée et a un délai d’exécution plus rapide (moins de dix ans pour le lancement) que les autres types de missions Esa. La précédente mission F de l’agence, sélectionnée en 2019, s’appelle Comet Interceptor.


Déjà garée à un point stable du système solaire, cette sonde attend qu’une comète se présente et vole à côté d’elle, ce qui devrait se produire au moment du lancement d’Arrakhis au début des années 2030.

Suivre la lumière

Comme la matière noire échappe toujours à la détection, la mission ciblera les sources de lumière qui y sont sensibles. Nous nous attendons à ce que la matière normale – la substance qui émet réellement de la lumière, comme les étoiles dans les galaxies – se déplace principalement sous l’influence de la matière noire, qui est plus abondante.

Nous pensons que des galaxies entières sont déplacées par la matière noire sous-jacente, comme des balises réparties sur un océan invisible. Leur navigation est cependant cahoteuse, car on pense que la matière noire est répartie de manière inégale dans l’univers, formant une «toile cosmique» sur de vastes distances et ayant une apparence plus agglomérée à l’échelle des galaxies. Certains de ces amas devraient être peuplés de petites galaxies appelées galaxies naines, tandis que d’autres seraient entièrement constitués de matière noire.


Il reste également des débris de ces galaxies naines qui s’aventurent trop près des galaxies hôtes autour desquelles elles orbitent. Alors que la matière noire environnante déchire ces galaxies par des marées gravitationnelles, elles commencent à se défaire en de longs flux d’étoiles qui s’enroulent autour de vastes étendues d’espace.

Ces minces voiles de lumière sont un autre lien avec l’invisible. En comptant et en mesurant leurs formes, nous pouvons déduire de quel type de particule la matière noire est constituée – et finalement quel modèle cosmologique est le plus précis.

L’agrégation dans l’espace est une prédiction robuste de nos modèles cosmologiques, car elle représente simplement le résultat de la gravité agissant sur la matière. Cependant, nos modèles donnent des prédictions contradictoires sur le nombre de ces amas, qui pourraient être supérieurs ou inférieurs selon le type de particule ou de particules dont nous supposons que la matière noire est constituée.

Dans le modèle « standard » de la cosmologie, les particules de matière noire sont supposées être « froides », ce qui signifie qu’elles sont lourdes et se déplacent lentement (un exemple serait les « particules massives à interaction faible », ou Wimps).


Cela implique que notre Voie lactée contiendra des centaines d’amas de matière noire, dont certains contiendront des galaxies naines. Mais le problème est que nous ne voyons que quelques dizaines de galaxies naines autour de nous, ce qui est très déroutant. Cela pourrait signifier que la plupart de ces amas sont constitués de matière noire.

Les cosmologistes ont cependant d’autres idées viables. Par exemple, si la matière noire est «chaude» – ce qui signifie que les particules sont beaucoup plus légères et plus rapides, comme les neutrinos stériles – il y aurait beaucoup moins d’agrégats pour commencer.

Les observations peuvent nous donner le dernier indice quant au modèle qui convient, mais pour y arriver, nous avons d’abord besoin d’un recensement précis des galaxies naines en orbite autour de la Voie lactée.

Le sommet de l’iceberg

Il y a de fortes indications que les galaxies naines découvertes jusqu’à présent près de la Voie lactée ou d’autres grandes galaxies ne sont que la pointe de l’iceberg, et que beaucoup d’autres restent cachées derrière la lumière de leurs hôtes. Arrakhis pourra découvrir cette population disparue même à de grandes distances de nous.

L’observation de cette faible lumière stellaire s’est avérée difficile, même pour les plus grands télescopes de la Terre, car elle nécessite une imagerie très profonde et une étude de grandes parties du ciel.

De plus, l’atmosphère terrestre est un obstacle. Arrakhis observera depuis l’espace, avec une caméra innovante qui sonde plus profondément dans la partie optique et proche infrarouge du spectre, et avec un champ de vision beaucoup plus large. (Incidemment, ce type de caméra peut également regarder la Terre avec une excellente résolution.)

La centaine de systèmes semblables à la Voie lactée qui seront observés se trouvent à environ 100 millions d’années-lumière, où seules quelques galaxies naines ont été découvertes jusqu’à présent, et aucun flux stellaire pour le moment.

Lorsque nous connaîtrons le nombre de galaxies naines qui seront bientôt découvertes et comment elles seront réparties dans l’espace, nous devrions être en mesure de déterminer le modèle cosmologique correct.

Arrakhis trouvera de nombreuses pièces manquantes dans le puzzle fourni par la matière noire, complétant ce que nous savons déjà de l’univers voisin et ce que nous apprendrons à l’avenir d’autres télescopes à venir, tels qu’Euclid ou l’observatoire Vera Rubin.

L’espoir est que ces observations détaillées et combinées révéleront enfin le mystère de la matière noire et nous aideront à comprendre ce qui constitue la majorité de la matière dans le cosmos.

Andreea Font, chargée de cours en astrophysique théorique, Liverpool John Moores University


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