Confrontés au défi majeur que leur pose la matière noire, les astrophysiciens ont entrepris de découvrir sa nature physique. Deux types de possibilités se sont alors présentées : celles qui font appel à des astres constitués de matière ordinaire, par exemple des corps peu lumineux, et celles qui reposent sur l’introduction de particules non ordinaires qualifiées d’exotiques. Analysons ici les candidats possibles formés de matière ordinaire, ou baryonique, c’est-à-dire de neutrons et de protons.
Les naines rouges
L’une des solutions les plus simples est de recourir aux étoiles les moins brillantes : les naines rouges. Ces étoiles font partie de la séquence principale mais se distinguent par leur faible masse, entre huit et 80 pour cent de celle du Soleil. Pour cette raison, leur surface est relativement froide, à peine quelques milliers de degrés, et leur luminosité très faible, entre un dix-millième et quelques dixièmes de celle du Soleil. Ces étoiles passent ainsi inaperçues si elles se trouvent au-delà de notre voisinage immédiat.
C’est en étudiant les naines rouges les plus proches que les astronomes se rendirent compte que ces étoiles peu brillantes sont très nombreuses. Ainsi, dans le voisinage du Soleil, une étoile sur deux est une naine rouge, même si très peu d’entre elles figurent parmi les milliers d’étoiles visibles à l’oeil nu. Les astronomes sont donc tout naturellement amenés à penser que les galaxies pouvaient être dominées en nombre par ces étoiles quasi-invisibles. Leur présence augmenterait la masse totale d’une galaxie sans véritablement affecter sa luminosité globale.
Les naines brunes
Une autre solution consiste à faire appel à des astres encore moins massifs : les naines brunes. On désigne par ce terme les étoiles dont la masse est inférieure à huit pour cent de celle du Soleil. A cause de cette masse trop faible, le noyau de ces étoiles n’est pas suffisamment comprimé et chaud pour que les réactions nucléaires de fusion puissent se mettre en place. Les naines brunes sont donc des étoiles ratées qui n’émettent pas de lumière et sont pratiquement impossibles à observer, même dans le voisinage immédiat du Soleil. Ces propriétés en font des candidates parfaites pour la matière noire.
Remarquons que la masse minimale des naines brunes est de plusieurs fois la masse de Jupiter. Ce qui différencie ces étoiles des planètes géantes est leur mode de formation. Comme toutes les étoiles, les naines brunes se forment lors de l’effondrement d’un nuage de gaz, alors que les planètes se forment par accumulation de grains de poussière.
Les planètes
Une autre explication possible de la matière noire baryonique est la présence dans les galaxies d’une grande quantité de planètes, en particulier de planètes massives comme Jupiter. Cependant, des corps de cette nature ne peuvent pas fournir une très grande proportion de la matière noire. En effet, les planètes contiennent des éléments plus lourds que l’hydrogène ou l’hélium. Or ces éléments sont rares dans l’Univers, ils ne représentent qu’un seul noyau pour cent noyaux d’hydrogène, comme toutes les observations le confirment.
Les résidus d’étoiles
Enfin, on peut faire appel aux trois types de résidus stellaires : naine blanche, étoile à neutrons ou trou noir. La contribution des deux derniers types est limitée par l’observation. En effet, étoiles à neutrons et trous noirs apparaissent lors de l’explosion d’une supernova qui donne naissance à une grande quantité d’éléments lourds. Comme ces derniers sont rares, le nombre d’explosions ayant eu lieu, donc le nombre de résidus stellaires de ce type, doit être relativement faible.
Lesquels de ces candidats contribuent réellement à la masse noire baryonique ? La réponse est évidemment dans les observations.
Mis à jour le 12/01/2022 par Olivier Esslinger