Lorsque nous regardons le ciel la nuit, nous voyons un vaste cosmos rempli d’étoiles, de galaxies et de poussière, un cosmos qui regorge de phénomènes lumineux. 
Nous avons tous entendu la fameuse phrase de Carl Sagan : « Nous sommes faits d’étoiles. » Et c’est vrai, c’est bien le cas. Il est donc facile de croire que c’est ce qui est visible qui compte - nous, les arbres, les étoiles - car cela nous aide à nous sentir liés à tout ce que nous pouvons voir. 
Nous savons que tout ce qui est visible dans l’univers est composé d’un ensemble d’éléments de base appelés particules élémentaires. Nous appelons cette image incroyablement élégante le modèle standard de la physique des particules, et nous la comprenons dans ses moindres détails mathématiques. 
Comprendre le modèle standard est une réussite énorme. Mais on est désormais sûr qu’il ne décrit qu’une infime partie de ce qui existe. Il s’avère que la plupart des éléments remplissant l’univers sont totalement invisibles pour nous. En d'autres termes, la matière visible, celle dont nous et les étoiles sommes faits, celle qui renvoie la lumière, n’est pas la normalité. Nous, la matière lumineuse, nous sommes les bizarreries cosmiques. 
Comment le savons-nous ? Prenons cette personne non binaire invisible, cachée à la vue de tous dans son costume. On ne voit pas un individu, mais on sait qu’il est là, parce que le costume est rempli. Donc la présence de cet agenre invisible régit la façon dont le costume s'accroche dans l'espace-temps. Nous observons un effet similaire avec la matière visible. Nous voyons que les étoiles et les galaxies sont affectées par la présence de quelque chose de plus, quelque chose de complètement invisible pour nous. 
Nous savons donc maintenant que l’univers est plus ambigu et plus fantastique qu'il n'y paraît à l'œil nu. 
(Applaudissements) (Rires) 
C'est vrai. 
(Rires et applaudissements) 
Comment l’univers est-il devenu ainsi, et qu'est-ce qu'il y a exactement à l'intérieur ? 
Je suis physicienne théoricienne spécialisée dans la cosmologie des particules. J’utilise les mathématiques pour étudier l'origine et l'évolution de l'espace-temps et de chaque chose qui s'y trouve. Je relie le très petit - les particules élémentaires - à l’extrêmement grand - les galaxies et les amas de galaxies. Je suis un conteur de l’univers. Je développe des récits mathématiques créatifs qui pourraient bien être l’histoire de notre origine cosmique. 
En tant que physicienne, j’aime vraiment faire des maths et trouver des idées différentes pour décrire notre univers en grande partie invisible. Mais il est aussi important de prendre en compte les données, la réalité. 
Ainsi, après les mathématiques, mon deuxième outil préféré pour aborder ces grandes questions cosmologiques est le plus grand laboratoire que nous connaissions, l'univers lui-même. Les observatoires dotés de capacités allant de la lumière visible aux rayons X et gamma de haute énergie restent l’un des meilleurs moyens de comprendre ce qui se passe dans l'espace-temps, dans l'invisible. 
Ce que vous voyez ici, c’est l’observatoire Vera C. Rubin, une nouvelle installation passionnante qui verra le jour d’ici deux ans. Il s’agit d’un prototype de la nouvelle génération de télescopes qui va changer la façon dont nous voyons cet univers essentiellement invisible. 
Il est également vrai que les essaims de satellites menacent les images des installations terrestres comme celle-ci. Mais l’observatoire Vera C. Rubin peut nous aider à comprendre où se trouve la matière invisible et ce qu'elle fait, ce qui nous aidera à déterminer ce qu'elle est exactement. 
En ce qui concerne la comptabilité cosmique, voici ce que nous savions jusqu’à présent. Nous sommes au milieu d'un grand drame cosmique, où l’espace-temps est courbe et en expansion. L'histoire et l'avenir de cette courbure et de cette expansion sont déterminés par ce qu’il y a à l’intérieur, majoritairement pas des choses visibles comme nous - nous ne représentons qu’environ 5 %. 
La majorité du contenu énergie-matière de l’univers est ce que nous appelons l’énergie noire. L'espace vide semble donc avoir une énergie qui lui est associée. Et cela affecte de plus en plus la façon dont l'espace-temps s'étend. 
Après l'énergie noire, le deuxième ingrédient le plus important est ce que nous appelons la matière noire. Voici un détail amusant sur la matière noire. Contrairement à l'énergie noire, elle gravite exactement comme la matière visible. Mais elle est complètement différente de nous dans tous les autres domaines. Vous devez vous dire : « OK, la matière noire est clairement associée à une couleur. C’est noir, comme mon pantalon. » Pas vrai ? La première chose à savoir sur la matière noire est qu’elle n’a pas de couleur, et qu’en première approximation, la lumière semble la traverser, donc on ne peut pas la voir. Elle est invisible, peut-être transparente, peut-être claire. Si vous tendiez les mains et pensiez au poids d’un amas de matière noire dans vos mains, c'est ce que vous ressentiriez, mais vos mains auraient exactement la même apparence. 
Nous pensons que 80 % de la matière qui gravite normalement dans l’univers est de la matière noire. La matière noire est dominante à la périphérie des galaxies, et elle affecte les mouvements stellaires sur les bords. C’est d’ailleurs grâce à cet effet que Vera C. Rubin et Kent Ford ont trouvé la première preuve concrète de l’existence de la matière noire. 
Ce que vous voyez ici est une représentation artistique de notre propre galaxie, la Voie lactée, enveloppée d'un halo de matière noire, représentée ici par un gaz bleu. Nous pensons que chaque galaxie, ou presque chaque galaxie, vit à l'intérieur d'un halo de matière noire. Et nous pensons qu’elles ne sont pas les seules. La Voie lactée possède environ 60 galaxies satellites liées par gravitation qui se trouvent dans son orbite. Vous en avez peut-être vu certaines en observant le ciel la nuit, ou entendu parler, comme le Grand Nuage de Magellan et le Petit Nuage de Magellan. Chacun de ces satellites vit à l'intérieur de son propre subhalo de matière noire. Ainsi, comme l’agenre invisible dans son costume, la présence de matière noire affecte la façon dont les galaxies sont distribuées dans l’espace-temps. 
On peut donc savoir où se trouve la matière noire par rétro-ingénierie. Elle est représentée ici par le violet bleuté. Nous pouvons observer comment les images des amas de galaxies sont déformées, ce qui nous renseigne sur la façon dont la matière noire déforme l’espace-temps. 
Nous savons donc quelle est la quantité de matière noire, et même comment la matière noire est distribuée, mais de quel type de particule s'agit-il ? Tout ce que nous savons, c’est que cela dépasse le modèle standard de la physique. Ça ne ressemble à aucune des particules que nous avons déjà vues ou avec lesquelles nous avons eu un quelconque contact. Cela semble être un problème potentiellement terrifiant et insoluble, car nous parlons de quelque chose que nous ne pouvons ni voir, ni toucher. Vous pourriez penser : « Ils n’ont pas eu d’idées toutes ces années, parce que cela semble vraiment difficile. » Pas vrai ? Voici donc le diagramme de Venn ultime. 
(Rires) 
[Théories de la matière noire] Je parie cent dollars que vous n’en trouverez pas de meilleur. Du moins, d'après moi. 
(Rires) 
Tim Tait a créé ce diagramme pour nous aider à visualiser certaines des hypothèses formulées par les physiciens au fil des ans pour expliquer la matière noire et la façon dont ces idées se recoupent. Comme vous pouvez le voir, il y a beaucoup de choses. Espérons que cela devienne de plus en plus clair, qu’il ne s’agit pas que d’un problème d’astrophysique, de galaxies et d’amas de galaxies, mais aussi d’un problème de physique des particules. Pour comprendre ce qui se passe aux plus grandes échelles, nous devons comprendre quelque chose de très petit, comme une nouvelle particule, ou peut-être des trous noirs primordiaux. 
Ok, vous avez vu ce diagramme et vous vous demandez tous : « Quel est son candidat préféré ? » C’est ce que vous mourrez d’envie de savoir ? Je vais mettre fin au suspense en vous disant... que mon candidat préféré est quelque chose appelé l’axion. C'est une particule hypothétique. La première chose que je veux vous dire à son propos, c'est qu'on a failli l'appeler le higglet. 
(Rires) 
Celui qui a choisi « axion » a complètement foiré, OK ? Je suis vraiment déçue de ce nom. Mais elle est fascinante car elle fait d’une pierre deux coups : elle résout un problème que nous avions déjà, un conflit entre la théorie et l’expérience dans le domaine de la physique des quarks. 
Vous vous dites : « OK mais comment la visualiser ? » 
À ce stade de l’exposé, vous devriez avoir déjà compris. En première approximation, la matière noire est invisible. 
(Rires) 
Mais je sais que vous voulez un visuel, alors je vais vous en donner un. Voici à quoi elle ressemble pour moi au quotidien. 
(Rires) 
(Applaudissements) 
En d’autres termes, ce n’est pas grave si cela n’est pas intuitif. 
(Rires) 
L'univers est un endroit merveilleusement étrange et fantastique, et c'est pourquoi les humains en tant qu'espèce ont toujours voulu l'étudier. Et c'est pourquoi nous nous amusons tant à essayer de le comprendre. 
Alors comment allons-nous chercher l'axion ou toute autre particule de matière noire ? Il y a les approches traditionnelles de la physique des particules, tels les collisionneurs, où des particules sont projetées les unes contre les autres. Mais les signaux astrophysiques ont quelque chose à dire. Les télescopes de tout le spectre électromagnétique - par exemple, l’installation de la NASA, le télescope spatial à rayons X STROBE-X - peuvent nous aider à déterminer ce qu’est exactement la matière noire. 
Mais ils s’intéressent à l’infiniment grand. Comment peut-on utiliser le très grand pour comprendre le très petit ? Eh bien, dans le cas de l'axion, il est utile de prêter attention à sa classification quantique. Toutes les particules sont classées dans l’une de ces deux catégories quantiques : les fermions et les bosons. Les fermions, même quand les choses se refroidissent, aiment garder leurs distances. Ils sont antisociaux. C'est comme ça. Les bosons, par contre, lorsqu’ils passent sous une température critique, sont comme des enfants sur un terrain de foot, ils n'ont pas de concept de formation, ils se regroupent simplement. En termes techniques, nous appelons cela la formation d'un condensat de Bose-Einstein, où toutes les particules se rassemblent et agissent comme une superparticule. Il est donc important de noter que les axions sont des bosons, et vous comprenez pourquoi j’aime travailler avec eux. Je suis complètement fascinée par l’idée des condensats de Bose-Einstein d’axions. 
D’habitude, nous parlons de la création de ces états quantiques en utilisant des atomes, mais maintenant, nous parlons de la possibilité de nouveaux condensats de Bose-Einstein, peut-être à l'échelle d'une galaxie, fabriqués à partir de matière noire. 
Ce que vous voyez ici est une simulation développée par une équipe que je dirige. C’est un condensat d’axions en orbite autour d’une masse centrale. C’est comme un subhalo en orbite autour de sa galaxie hôte. Peut-être le Grand Nuage de Magellan en orbite autour de la Voie Lactée. Comme vous pouvez le voir, avec l’âge de l’univers, le subhalo commence à se déchirer, et les travaux de mon équipe montrent que la façon dont cela se produit avec les axions diffère de celle des autres candidats à la matière noire, car ils passent à cet état de condensat spécial. 
Maintenant, imaginez la possibilité qu'il y ait plus d'un type de matière noire candidate. Peut-être y a-t-il plus d’un type de particule de matière noire ? Cette image pourrait être beaucoup plus riche. Il n’y a aucune règle cosmique qui dise qu’il ne peut y en avoir qu’une. Donc au final, je m'attends 
à ce que l’univers nous force à réévaluer ce que nous pensions savoir. 
[Rendre visible l'invisible] 
Lorsque nous honorons la terre et le ciel, comme nos relations galactiques, et leurs gardiens originels, il nous devient possible d'imaginer de nouvelles façons d'être en bonnes relations les uns avec les autres. 
C’est pourquoi, moi, personne noire homosexuelle, je suis si fière de suivre les traces de mes ancêtres, qui ont étudié et rêvé avec le ciel nocturne, parfois de liberté. Des astronomes comme Harriet Tubman, au nom de laquelle le télescope spatial James Webb devrait être renommé. 
(Applaudissements) 
Je rends hommage aux employés homosexuels de la NASA qui ont été persécutés sous la direction de James Webb, même si je partage l'énorme enthousiasme de la communauté pour ce que cette installation va nous apprendre sur la matière noire. Et j'honore la mémoire de Vera C. Rubin, l’astronome qui m’a demandé pour la 1e fois, alors que je n’étais qu’une jeune étudiante terrifiée, « Comment devrions-nous résoudre le problème de la matière noire ? » 
Nous vivons une époque extraordinaire pour faire des recherches sur la matière noire. Au cours de la prochaine décennie, nous allons voir l'univers avec une précision et une clarté incroyables grâce à ces nouveaux télescopes au sol et dans le ciel. Nous obtiendrons probablement certaines réponses, mais nous aurons une foule de nouvelles questions. Et mon équipe ? Nous serons prêts. 
Donc la recherche de la matière noire est en marche. Quel est votre candidat préféré ? 
(Rires) 
Si ce n’est pas un axion, vous feriez mieux de changer d’avis. 
(Rires) 
Merci. 
(Acclamations et applaudissements) 
