La matière noire pose de nombreux problèmes, mais peut en résoudre certains autres. On peut la faire intervenir pour expliquer la formation des grandes structures de l’univers (galaxies, amas de galaxies, superamas, etc.).
Le problème est le suivant : on suppose que peu de temps après le Big Bang, l’Univers, composé de protons, de neutrons, d’électrons, de photons et autres particules est à peu près homogène, c’est-à-dire uniforme en tout point, car sa température est trop élevée pour permettre aux particules qui forment les atomes de se regrouper. Aujourd’hui, lorsque l’on observe la répartition des objets dans l’Univers, on remarque qu’ils ne sont pas distribués de manière uniforme ; on suppose donc qu’il a fallu que de la matière se concentre un peu plus en certains endroits, formant des fluctuations que l’on appelle « fluctuations primordiales ».
Et pour repérer ces fluctuations de densité sur le fond diffus cosmologique, il suffit de repérer les différences de températures provenant de ce rayonnement fossile. La température moyenne relevée est d’environ 2,7 K. Des zones légèrement plus chaudes indiqueraient une densité de matière un peu plus forte. Il suffisait que ces fluctuations soient de l’ordre du millième de degré pour expliquer la formation des galaxies à partir de ces regroupements de matière.
Malheureusement pour cette théorie, le satellite COBE lancé en 1992 ne révéla que des variations de température de l’ordre du cent millième de degré, ce qui est bien trop faible pour que les grandes structures de l’Univers puissent s’être formées à partir de ces fluctuations primordiales en seulement 13,7 milliards d’années.
C’est là qu’on fait intervenir la matière noire pour sauver la théorie. Les protons, neutrons et électrons ne pouvaient se regrouper pour former les atomes à cause de la pression des photons. En revanche, la matière noire n’interagit pas avec les photons et n’aurait donc pas subi cette pression, ce qui lui aurait permis de créer des fluctuations de densité (invisibles) bien avant la matière ordinaire. Ces fluctuations auraient ainsi pu attirer, par gravitation, la matière ordinaire lors du découplage matière-rayonnement de la nucléosynthèse primordiale (découplage qui a libéré les photons et rendu l’Univers transparent).
Dans cette hypothèse, ce sont donc ces fluctuations de densité de la matière noire qui seraient à l’origine de la formation des galaxies et des amas de galaxies, répartis de façon non uniforme dans l’Univers. Reste malheureusement à expliquer pourquoi la matière sombre aurait adopté une distribution non homogène, à l’inverse de la matière ordinaire…
À partir des vitesses de rotation des étoiles et des galaxies (au niveau des amas), il a été possible de mesurer la masse de cette matière noire, et d’en déduire également sa répartition. Une grande quantité de cette matière devrait se trouver au sein même des galaxies, non pas dans le disque galactique mais sous forme d’un halo englobant la galaxie. Cette configuration permet une stabilité du disque galactique. De plus, certaines galaxies possèdent des anneaux perpendiculaires au disque et composés de gaz, de poussières et d’étoiles. Là encore, le halo de matière expliquerait la formation et la stabilité que de tels anneaux nécessitent. Par contre, il est impossible que la matière noire se trouve dans le disque galactique, car on devrait alors observer dans le mouvement des étoiles une oscillation perpendiculaire au disque ; oscillation que nous ne voyons pas.
À l’instar de la matière lumineuse, elle décroîtrait également au fur et à mesure que l’on s’éloigne du centre de la galaxie, mais de façon beaucoup moins prononcée. Ainsi, la proportion de matière lumineuse varierait de dominante au cœur des galaxies à négligeable à la périphérie. L’étude de galaxies satellites (petites galaxies tournant autour d’autres galaxies) oblige à imaginer des halos très étendus : environ 200 ou 300 kpc. Par comparaison, le Soleil est situé à environ 8,7 kpc du centre de notre Galaxie. La galaxie d’Andromède — galaxie la plus proche de nous — se situe à 760 kpc, soit un peu plus du double du rayon du halo de matière noire de notre galaxie. Du coup, ces halos devraient être communs entre galaxies voisines (comme des pépins dans une même pomme).
Les mouvements de galaxies au sein des amas ont révélé le même problème que l’étude des mouvements des étoiles dans les galaxies et suggèrent donc la présence de matière noire entre les galaxies ; bien que rien ne prouve encore que ces deux problèmes soient liés. À l’échelle des galaxies, le taux de matière noire serait jusqu’à dix fois celui de la matière lumineuse, mais au niveau des amas, il serait bien plus important : jusqu’à trente fois la masse « visible » de ces amas.
En 1996, l’astrophysicien Yannick Mellier a entrepris avec son équipe de mesurer la quantité de matière noire dans tout l’Univers et de dresser une carte de sa distribution entre les amas de galaxies à l’aide du cisaillement gravitationnel. L’idée est de faire une étude statistique à grande échelle de la déformation des images des galaxies due à l’interaction gravitationnelle de la matière noire présente entre la Terre et ces structures, déviant les rayons lumineux envoyés par celles-ci (leur image nous arrive donc déformée). Une étude statistique à très grande échelle (la région du ciel étudiée était de la taille apparente de la lune et sur une profondeur de cinq milliards d’années-lumière) permet de négliger les déformations locales dues aux autres amas de galaxies.
Cette étude a abouti en mars 2000 à une première cartographie (encore sous forme d’ébauche). La matière noire devrait prendre la forme de longs filaments qui s’entre-croisent, la quantité de matière de l’univers devrait représenter un tiers de celle permettant d’atteindre la densité critique, le reste étant constitué d’énergie noire.
Une nouvelle étude similaire est en cours, toujours par l’équipe de Yannick Mellier, avec cette fois une caméra CCD plus grande, permettant d’étudier une surface vingt fois plus grande que lors de la première étude. Celle-ci permettra d’obtenir une carte plus détaillée de la matière noire à grande échelle.[réf. souhaitée]