Vera Rubin, astronome américaine qui a établi la présence de matière noire dans les galaxies, mesure les spectres dans les galaxies. années 1970. Photo gracieuseté de Vera Rubin.

Bien que son père était dubitatif quant aux possibilités de carrière en astronomie, il a soutenu son intérêt en l’aidant à construire son propre télescope et en l’accompagnant à des réunions d’astronomes amateurs. Elle a obtenu une bourse d’études au prestigieux Women’s college Vassar, où elle a obtenu son diplôme de seule majeure en astronomie en 1948. En postulant dans des écoles supérieures, on a dit à Rubin que « Princeton n’accepte pas les femmes » dans le programme d’astronomie. (Cette politique n’a été abandonnée qu’en 1975.) Imperturbable, Rubin postule à Cornell, où elle étudie la physique sous la direction de Philip Morrison, Richard Feynman et Hans Bethe. Elle est ensuite allée à l’Université de Georgetown, où elle a obtenu son doctorat en 1954 (sous la direction de George Gamow, qui était à proximité de l’Université George Washington).

« Dans une galaxie spirale, le rapport de la matière sombre à la matière claire est d’environ un facteur dix. C’est probablement un bon chiffre pour le rapport entre notre ignorance et notre connaissance. Nous sommes sortis de la maternelle, mais seulement en troisième année. »- Vera Rubin

Après avoir enseigné pendant quelques années à Georgetown, elle a pris un poste de recherche à la Carnegie Institution à Washington, qui avait un modeste programme d’astronomie. Ses travaux ont porté sur l’observation de la dynamique des galaxies. Elle a fait équipe avec Kent Ford, un astronome qui avait développé un spectromètre extrêmement sensible.

Rubin et Ford ont utilisé le spectromètre pour étaler le spectre de la lumière provenant des étoiles dans différentes parties des galaxies spirales. Les étoiles du disque d’une galaxie se déplacent sur des orbites à peu près circulaires autour du centre. Si le disque est incliné vers notre ligne de mire, les étoiles d’un côté s’approchent de nous tandis que celles de l’autre s’éloignent. Lorsqu’une source de lumière se déplace vers nous, nous voyons une diminution des longueurs d’onde de la lumière (un décalage vers l’extrémité bleue du spectre), et lorsque la source s’éloigne, nous voyons une augmentation des longueurs d’onde (un décalage vers l’extrémité rouge). C’est ce qu’on appelle l’effet Doppler, et le décalage de longueur d’onde est proportionnel à la vitesse de la source lumineuse par rapport à l’observateur. Rubin et Ford ont effectué des mesures minutieuses des décalages Doppler sur les disques de plusieurs galaxies. Ils pourraient ensuite calculer les vitesses orbitales des étoiles dans différentes parties de ces galaxies.

Comme la région centrale d’une galaxie spirale a la plus forte concentration d’étoiles visibles, les astronomes ont supposé que la majeure partie de la masse et donc de la gravité d’une galaxie serait également concentrée vers son centre. Dans ce cas, plus une étoile est éloignée du centre, plus sa vitesse orbitale attendue est lente. De même, dans notre système solaire, les planètes extérieures se déplacent plus lentement autour du Soleil que les planètes intérieures. En observant comment la vitesse orbitale des étoiles dépend de leur distance du centre d’une galaxie, les astronomes pourraient en principe calculer la répartition de la masse dans toute la galaxie.

Lorsque Rubin et Ford ont commencé à faire des observations Doppler des vitesses orbitales dans les galaxies spirales, ils ont immédiatement découvert quelque chose d’totalement inattendu. Les étoiles éloignées des centres des galaxies, dans les régions extérieures peu peuplées, se déplaçaient aussi vite que celles qui se rapprochaient. C’était étrange, car la masse visible d’une galaxie n’a pas assez de gravité pour maintenir en orbite des étoiles aussi rapides. Il s’ensuivit qu’il devait y avoir une énorme quantité de matière invisible dans les régions extérieures des galaxies où les étoiles visibles sont relativement peu nombreuses. Rubin et Ford ont ensuite étudié une soixantaine de galaxies spirales et ont toujours trouvé la même chose. « Ce que vous voyez dans une galaxie spirale, conclut Rubin, n’est pas ce que vous obtenez. »

Ses calculs ont montré que les galaxies doivent contenir environ dix fois plus de masse « sombre » que les étoiles visibles. En bref, au moins quatre-vingt-dix pour cent de la masse des galaxies, et donc de l’univers observable, est invisible et non identifiée. Ensuite, Rubin s’est souvenue de quelque chose qu’elle avait appris en tant qu’étudiante diplômée sur les preuves antérieures d’une masse invisible dans l’univers. En 1933, Fritz Zwicky avait analysé les vitesses Doppler de galaxies entières dans l’amas de Coma. Il a découvert que les galaxies individuelles de l’amas se déplacent si vite qu’elles s’échapperaient si l’amas n’était maintenu ensemble que par la gravité de sa masse visible. Comme l’amas ne montre aucun signe de vol, il doit contenir une prépondérance de « matière noire » — environ dix fois plus que la matière visible — pour le lier ensemble. La conclusion de Zwicky était correcte, mais ses collègues étaient sceptiques. Rubin se rendit compte qu’elle avait découvert des preuves convaincantes de la matière noire de Zwicky. La majeure partie de la masse de l’univers est en effet cachée à notre vue.

De nombreux astronomes étaient initialement réticents à accepter cette conclusion. Mais les observations étaient si claires et l’interprétation si simple qu’ils se sont vite rendu compte que Rubin devait avoir raison. Les étoiles lumineuses ne sont que les traceurs visibles d’une masse beaucoup plus grande qui constitue une galaxie. Les étoiles n’occupent que les régions internes d’un énorme « halo » sphérique de matière noire invisible qui comprend la majeure partie de la masse d’une galaxie. Peut-être y a-t-il même d’importantes accumulations de matière noire dans les vastes espaces entre les galaxies, sans aucune étoile visible pour retracer leur présence. Mais si c’est le cas, ils seraient très difficiles à observer.

Et qu’est-ce que cette  » matière noire « , jusqu’ici non observée, si ce n’est par l’effet de sa gravité sur les étoiles ? La question est l’un des principaux mystères non résolus de l’astronomie aujourd’hui. De nombreux astronomes théoriques et observationnels travaillent dur pour essayer d’y répondre.

Vera Rubin continue d’explorer les galaxies. En 1992, elle découvre une galaxie (NGC 4550) dans laquelle la moitié des étoiles du disque orbitent dans une direction et l’autre moitié dans la direction opposée, les deux systèmes étant entremêlés ! Cela résulte peut-être de la fusion de deux galaxies tournant dans des directions opposées. Rubin a depuis trouvé plusieurs autres cas de comportement similaire bizarre. Plus récemment, elle et ses collègues ont découvert que la moitié des galaxies de l’amas de la grande Vierge présentaient des signes de perturbations dues à des rencontres gravitationnelles rapprochées avec d’autres galaxies.

En reconnaissance de ses réalisations, Vera Rubin a été élue à l’Académie nationale des Sciences et a reçu la Médaille Nationale des Sciences en 1993. Mais tout au long de sa carrière, Rubin n’a pas cherché de statut ni de reconnaissance. Son objectif était plutôt la satisfaction personnelle de la découverte scientifique. « Nous avons jeté un coup d’œil dans un nouveau monde, écrit-elle, et nous avons vu qu’il est plus mystérieux et plus complexe que nous ne l’avions imaginé. Encore plus de mystères de l’univers restent cachés. Leur découverte attend les scientifiques aventureux du futur. J’aime ça comme ça. »