La matière ordinaire obéit à quatre forces bien connues des scientifiques: la gravitation, l’électromagnétisme, la force forte et la force faible, les deux dernières agissant à l’échelle atomique. Mais qu’en est-il de la matière noire? Une équipe de recherche dirigée par l’UNIGE a cherché à savoir si, à l’échelle cosmologique, cette dernière «tombait» de la même façon dans les puits gravitationnels que la matière ordinaire ou si d’autres forces entraient en jeu. Les résultats, publiés dans Nature Communications, suggèrent un comportement similaire, tout en laissant ouverte la possibilité d’une interaction encore inconnue.

Sous l’influence de la gravitation des corps célestes, l’espace occupé par notre Univers se déforme, générant des «puits». La matière ordinaire – planètes, étoiles et galaxies – y tombe selon les lois de la physique, comme la fameuse théorie de la relativité générale d’Einstein ou les équations d’Euler. Mais est-ce aussi le cas de la matière noire? «Pour répondre à cette question, nous avons comparé les vitesses auxquelles les galaxies bougent dans l’Univers avec la profondeur des puits gravitationnels, explique Camille Bonvin, professeure associée au Département de physique théorique (Faculté des sciences), et coauteure de l’étude. Si la matière noire n’est pas sujette à une cinquième force, les galaxies – qui sont majoritairement faites de matière noire – doivent alors tomber dans les puits comme de la matière ordinaire, uniquement soumise à la gravitation. Alors que, s’il existe une cinquième force agissant sur la matière noire, celle-ci va influencer le mouvement des galaxies qui, par conséquent, vont tomber dans les puits de manière différente. En comparant la profondeur des puits avec la vitesse des galaxies, on peut donc tester la présence d’une telle force.» 

Les équations d’Euler encore valides

En appliquant cette approche aux données cosmologiques actuelles, l’équipe de recherche est arrivée à la conclusion que la matière noire tombe dans les puits gravitationnels de la même manière que la matière ordinaire. Et qu’elle répond ainsi aux équations d’Euler. «À ce stade, ces conclusions ne nous permettent toutefois pas d’exclure la présence d’une force inconnue, indique Nastassia Grimm, première auteure de l’étude et ancienne postdoctorante à l’UNIGE. Mais si cette cinquième force existe bel et bien, elle ne peut pas être plus grande que 7% de la force de la gravitation, sans quoi elle serait apparue dans nos analyses.»

Ces premiers résultats constituent une avancée majeure dans la caractérisation de la mystérieuse matière noire. La prochaine étape consistera à préciser l’existence, ou non, d’une hypothétique cinquième force qui la régirait. «Les futures données issues des expériences les plus récentes seront sensibles à une force aussi petite que 2% de la gravitation, précise Isaac Tutusaus, coauteur de l’étude. Elles devraient donc nous permettre d’en apprendre davantage.»