Comme le savent sans doute aujourd'hui tous les passionnés d'astronomie, le modèle cosmologique standard décrivant l'Univers observable (on ne sait rien de celui qui existe peut-être au-delà) suppose l'existence d'une matière noire et d'une énergie noire, respectivement à l'origine de la naissance des étoiles et des galaxies pour la première, et à l'origine de l'accélération de l'expansion de ce même cosmos depuis des milliards d'années.

On ne sait toujours rien de ces composantes dont l'effet sur la gravitation domine largement celui de la matière normale sous forme de baryons, c'est-à-dire des protons et des neutrons des noyaux atomiques. On sait par contre que si ces composantes existent bel et bien, elles ont laissé des empreintes dans les caractéristiques du rayonnement fossile, la plus vieille lumière de l'Univers observable.

Des germes de galaxies visibles dans le rayonnement fossile

Surtout, on a toutes les raisons de penser que ce rayonnement témoigne précisément des caractéristiques des fluctuations de densités de matière produites par le Big Bang, densités dont certaines vont s'effondrer gravitationnellement en provoquant la condensation et la naissance des étoiles, puis des galaxies et des amas de galaxies les rassemblant. On observe, de plus, une structuration progressive du cosmos faisant naître et évoluer des filaments contenant ces amas et qui enlacent des zones de sous-densités méritant leur nom de vides cosmiques.

Depuis 13,8 milliards d’années, l’Univers n’a cessé d’évoluer. Contrairement à ce que nous disent nos yeux lorsque l’on contemple le ciel, ce qui le compose est loin d’être statique. Les physiciens disposent des observations à différents âges de l’Univers et réalisent des simulations dans lesquelles ils rejouent sa formation et son évolution. Il semblerait que la matière noire ait joué un grand rôle depuis le début de l’Univers jusqu’à la formation des grandes structures observées aujourd’hui. © CEA Recherche

Les cosmologistes font évoluer dans des simulations numériques plusieurs modèles possibles expliquant la nature et les caractéristiques des fluctuations de densités initiales en utilisant tout de même les contraintes sur ces caractéristiques que donnent les analyses du rayonnement fossile, dans l'espoir d'en apprendre plus sur la matière noire et comparant les résultats de ces simulations avec les observations actuelles des structures galactiques.

L'énigme du Groupe local

Or, justement, voilà qu'un communiqué de l'Université de Groningue (Pays-Bas), au sujet d'un article publié et en libre accès sur arXiv, fait savoir que des simulations numériques réalisées par des astronomes de cette université (notamment le post-doctorant Ewoud Wempe et la professeure Amina Helmi) en collaboration avec des chercheurs allemands, français et suédois, montrent que la majeure partie de la matière noire située au-delà du Groupe local de galaxies doit être organisée dans un plan étendu.

De vastes vides se trouvent ainsi au-dessus et au-dessous de ce plan, alors que les mouvements observés des galaxies proches et les masses combinées de la Voie lactée et de la galaxie d'Andromède ne peuvent être correctement expliqués qu'avec cette distribution de masse « plate », pour reprendre les mots du communiqué.

Dans cette conférence publique donnée au Cern à l'occasion du Dark Matter Day 2024, Camille Bonvin détaille les preuves observationnelles qui soutiennent l'hypothèse de l'existence d'une nouvelle forme de matière : la matière noire. Elle explique pourquoi les observations astrophysiques, comme les courbes de rotation des galaxies, les lentilles gravitationnelles ou les collisions d'amas, indiquent la présence d'une masse invisible. Elle montre également pourquoi ces phénomènes ne peuvent pas être expliqués par des modifications de la gravitation seules. © Cosmic Blueshift

Rappelons que les astronomes ont découvert depuis longtemps que ce qu'ils ont appelé le « Groupe local » est un groupe de plus de 60 galaxies plus ou moins liées gravitationnellement auquel appartient la Voie lactée et Andromède. Son diamètre est d'environ 10 millions d'années-lumière.

Or, qui dit plus ou moins liées gravitationnellement laisse entendre aussi que l'effet de l'expansion de l'Univers doit y être contrarié par la gravitation. Ce n'est pas vraiment ce que l'on observe en général, même s'il est clair que la Galaxie d'Andromède se rapproche en fait de nous à une vitesse d'environ 100 kilomètres par seconde, ce qui interroge sur une possible collision dans le futur.

Un plan cosmique de matière noire ?

La clé de l'énigme serait donc la présence d'une structure plane qui s'étend sur des dizaines de millions d'années-lumière et dont le champ de gravitation permet de reproduire les mouvements des galaxies dans le Groupe local.

C'est en effet ce que donnent plusieurs essais de simulations numériques faisant apparaître les galaxies et finalement une distribution d'entre elles reproduisant le Groupe local à partir des caractéristiques initiales du rayonnement fossile. Caractéristiques qui, on l'a dit, proviennent du spectre précis des fluctuations de densités de matière du Big Bang.

Le communiqué de l'Université précise que les simulations qui ont constitué de véritables « jumeaux virtuels » de notre environnement cosmique redonnent également les positions et vitesses de 31 galaxies situées juste à l'extérieur du Groupe local. Si « les galaxies s'éloignent de nous, malgré la masse du Groupe local. Ceci s'explique par le fait que, pour les galaxies proches situées dans le plan cosmique, l'attraction gravitationnelle du Groupe local est contrebalancée par la masse plus éloignée dans ce même plan ».

Ewoud Wempe ajoute dans le communiqué qu'avec les simulations : « Nous explorons toutes les configurations locales possibles de l'Univers primordial qui pourraient avoir mené au Groupe local. C'est formidable d'avoir désormais un modèle cohérent à la fois avec le modèle cosmologique actuel et avec la dynamique de notre environnement local ».

« Le mystère de la matière noire », une conférence animée par Françoise Combes, présidente de l’Académie des sciences, professeure au Collège de France, astrophysicienne à l’Observatoire de Paris – PSL, Laboratoire d’étude de l’Univers et des phénomènes extrêmes. Cette conférence a été organisée le 12 novembre 2025 par la section locale Paris-Sud de la Société française de physique. Le problème de la masse manquante dans l’Univers, à l’échelle des galaxies, des grandes structures et du contenu global de l’Univers, constitue une énigme à plusieurs facettes. Dans le scénario de la matière noire froide, l’un des principaux candidats pour une particule non baryonique, est le neutralino, la plus stable des particules supersymétriques. Cependant, la supersymétrie n’apparaît pas comme prévu dans les expériences du LHC au Cern. De nombreux autres modèles ont fleuri ces dernières années, nous décrirons quelques alternatives telles que les axions, les neutrinos stériles, ou la gravité modifiée. © Société française de physique