Combat cosmique : plongée dans la bataille entre la matière noire et la gravité modifiée – Physics World

Imaginez si, d’un seul coup, avec une petite modification des lois de la gravité, vous pouviez éliminer le besoin de toute la matière noire de l’univers. Vous vous débarrasseriez d’une particule embêtante dont l’existence est seulement supposée et qui a jusqu’à présent défié toute découverte. Au lieu de cela, vous la remplaceriez par une théorie élégante qui modifierait les travaux fondamentaux d’Isaac Newton et d’Albert Einstein.

C'est du moins le rêve de la dynamique newtonienne modifiée, ou MOND. Développé par un physicien israélien Mordehaï Milgrom et théoricien américano-israélien d'origine mexicaine Jacob Bekenstein au début des années 1980, c’était leur antidote au paradigme populaire de la « matière noire ». Pour eux, la matière noire était un élément inutile et maladroit de la cosmologie qui, si elle était réelle, signifierait que 80 % de la matière du cosmos est invisible.

Au cours des 40 années qui ont suivi sa conception, les réalisations de MOND continuent d'être éclipsées par l'histoire d'amour de la cosmologie avec la matière noire. MOND a également eu du mal à expliquer les phénomènes à des échelles plus grandes et plus petites que celles des galaxies individuelles. Alors, MOND est-il quelque chose que nous devrions prendre au sérieux après tout ?

Courbes curieuses

Notre histoire commence à la fin des années 1960, et dans les années 1970, les astronomes américains Vera Rubin et Kent Ford se sont rendu compte que les étoiles situées à la périphérie des galaxies tournaient aussi vite que les étoiles proches du centre, au mépris apparent des lois du mouvement orbital de Johannes Kepler. . Ils ont illustré cela dans les courbes de rotation des galaxies, essentiellement un simple graphique de la vitesse orbitale en fonction du rayon depuis le centre. Plutôt que de montrer une pente négative, les graphiques formaient une ligne plate. Quelque part, il y avait une gravité supplémentaire qui tirait ces étoiles extérieures.

La matière noire – une forme invisible de matière si abondante qu’elle constituerait la force gravitationnelle dominante dans l’univers – était la solution populaire. Aujourd’hui, le concept de matière noire est intimement lié à notre modèle standard de cosmologie et est inhérent à notre compréhension de la façon dont se forme la structure de l’univers.

L’image que forme la matière noire est claire, mais pas assez précise pour une petite communauté de physiciens et d’astronomes qui ont évité la cosmologie de la matière noire et ont adopté MOND à la place. En fait, ils disposent d’abondantes preuves pour étayer leur cause. En 2016 Stacy McGaugh de l'Université Case Western Reserve mesuré les courbes de rotation de 153 galaxies (Phys. Rév. Lett. 117 201101) et ont constaté, avec une précision sans précédent, que leurs courbes de rotation sont expliquées par MOND, sans qu'il soit nécessaire de recourir à un halo de matière noire autour de chaque galaxie. Ce faisant, il a justifié la prédiction de Milgrom.

"Je dirais que MOND explique ces choses mieux que la matière noire, et la raison en est son pouvoir prédictif", déclare McGaugh, un ancien chercheur sur la matière noire qui est maintenant un défenseur de MOND, à la suite d'une révélation qui l'a vu changer de camp. Il fait référence au fait que si vous connaissez la masse visible (toutes ses étoiles et gaz) d'une galaxie, alors en appliquant MOND, vous pouvez calculer quelles seront les vitesses de rotation. Dans le paradigme de la matière noire, vous ne pouvez pas prédire les vitesses en fonction de la présence de matière noire. Au lieu de cela, vous devez mesurer la courbe de rotation de la galaxie pour déduire la quantité de matière noire présente. McGaugh soutient qu'il s'agit d'un raisonnement circulaire et non d'une preuve de la matière noire.

Comment modifier la gravité

Modifier les lois de la gravité pourrait être un anathème pour de nombreux physiciens – tel est le pouvoir de Newton et d'Einstein – mais ce n'est pas une chose si farfelue à faire. Après tout, nous vivons dans un univers mystérieux, rempli d’énigmes scientifiques. Quelle est l’énergie noire responsable de l’accélération de l’expansion de l’univers ? Pourquoi y a-t-il une tension dans les différentes mesures du taux d’expansion de l’univers ? Comment les galaxies se forment-elles si rapidement dans l'univers primitif, comme en témoigne le Hubble ainsi que Télescopes spatiaux James Webb? Les chercheurs s’intéressent de plus en plus aux théories de la gravité modifiée pour apporter des réponses, mais tous les modèles de gravité modifiée ne sont pas égaux.

Ce que chaque théorie de la gravité modifiée, y compris MOND, doit faire, c'est expliquer pourquoi elle nous reste cachée à l'échelle quotidienne et n'entre en action que sous certaines conditions.

Tessa Boulanger, cosmologiste et gourou de la gravité modifiée à l'Université de Portsmouth au Royaume-Uni, a bâti sa carrière en testant les lois de la gravité et en recherchant des modifications, dans son cas pour tenter d'expliquer l'énergie noire. "MOND, qui est un exemple de théorie de la gravité modifiée, est inhabituel dans le sens où il s'agit d'une théorie qui tente de remplacer la matière noire", explique Baker. "La majorité des théories de la gravité modifiée ne font pas cela."

Ce que chaque théorie de la gravité modifiée, y compris MOND, doit faire, c'est expliquer pourquoi elle nous reste cachée à l'échelle quotidienne et n'entre en action que sous certaines conditions. Les physiciens appellent le moment où cette transition se produit « écrantage », et tout cela est un problème d'échelle.

« La partie délicate est de savoir comment masquer la modification sur des échelles où nous savons que la relativité générale fonctionne très bien ? » demande Baker. Le point de départ évident pourrait être de déterminer si la gravité varie sur une échelle de distance. Ainsi, dans notre système solaire, la gravité s'estompe selon la règle du carré inverse, mais à l'échelle des amas de galaxies, elle diminue à un rythme différent. "Cela ne fonctionne absolument pas", déclare McGaugh, ajoutant qu'il existe d'autres échelles qui fonctionnent.

Par exemple, une théorie de la gravité modifiée avec laquelle Baker travaille – connue sous le nom de f(R) la gravité – généralise la théorie générale de la relativité d'Einstein. Sous f(R), la gravité active l'effet d'énergie sombre dans les zones de l'espace où la densité de matière devient suffisamment faible, comme dans les vides cosmiques. Pour MOND, l’ampleur du mécanisme de dépistage est l’accélération. En dessous d'une accélération gravitationnelle caractéristique appelée a₀ – soit environ 0.1 nanomètre par seconde carrée – la gravité fonctionne différemment.

Plutôt que de suivre la règle du carré inverse, à des accélérations inférieures a₀ la gravité diminue plus lentement, à l'inverse de la distance. Ainsi, quelque chose en orbite à quatre fois la distance ressentirait un quart de la gravité, pas un seizième. Les faibles accélérations gravitationnelles nécessaires à cet effet sont exactement celles que connaissent les étoiles situées à la périphérie des galaxies. « MOND active donc ces modifications à faibles accélérations de la même manière que f(R) la gravité déclenche ses modifications à faibles densités », explique Baker.

Conflit et controverse

MOND excelle pour les galaxies individuelles, mais selon la personne à qui vous parlez, il ne fonctionne peut-être pas aussi bien dans d'autres environnements. Et un échec en particulier a déjà retourné l’un des plus fervents partisans du MOND contre la théorie.

Le laboratoire idéal pour tester MOND est celui où la matière noire ne devrait pas être présente en grande quantité, ce qui signifie que toute anomalie gravitationnelle devrait simplement provenir des lois de la gravité elles-mêmes. Les systèmes d'étoiles binaires larges constituent l'un de ces environnements, constitués de paires d'étoiles de 500 UA ou plus. à part (où une unité astronomique ou UA est la distance moyenne entre la Terre et le Soleil). À des séparations aussi grandes, le champ gravitationnel ressenti par chaque étoile est faible.

Grace à Mission spatiale astrométrique Gaia de l'Agence spatiale européenne, des équipes de chercheurs de MOND ont désormais pu mesurer les mouvements de larges binaires à la recherche de preuves de MOND. Les résultats ont été controversés et contradictoires en termes de survie de MOND en tant que théorie valide.

Une équipe, dirigée par Kyu-Hyun Chae de l'Université Sejong de Séoul, a effectué une analyse exhaustive de 26,500 XNUMX binaires larges et a trouvé des mouvements orbitaux qui correspondaient aux prédictions de MOND (ApJ 952 128). Ceci a été soutenu par des travaux antérieurs de Xavier Hernández de l'Université nationale autonome de México, qui a salué à quel point les résultats de Chae étaient « excitants ». Mais tout le monde n’est pas convaincu.

À l'Université de St Andrews au Royaume-Uni, Indranil Banik travaillait sur son propre projet de six ans pour mesurer MOND dans des binaires larges. Il avait publié ses plans avant de prendre ses mesures, prenant soin de prendre le temps d'échanger avec d'autres experts et d'avoir des retours, affinant sa méthode pour que tout le monde soit d'accord. Banik s'attendait à ce que ses résultats montrent que MOND était réel. «Je m'attendais évidemment à ce que le scénario MOND fonctionne», dit-il. "C'était donc effectivement une très grande surprise que ce ne soit pas le cas."

Dans un article publié fin 2023, Banik n'a trouvé aucun écart par rapport à la gravité newtonienne standard (Avis mensuels de la Royal Astronomical Society 10.1093/mnras/stad3393). Les résultats ont été un tel coup de massue que cela a ébranlé le monde de Banik, et il a déclaré publiquement que MOND avait tort – ce qui lui a valu quelques critiques. Pourquoi, cependant, ses résultats devraient-ils être si différents de ceux de Chae et Hernandez ? "Certes, ils continuent de prétendre qu'il y a quelque chose là-dedans", explique Banik. Cependant, il est sceptique quant à leurs résultats, citant des différences dans la manière dont ils ont géré les incertitudes dans leurs mesures.

Ces points de discorde sont très techniques, il n’est donc peut-être pas totalement surprenant que différentes interprétations aient été abouties. En effet, pour les étrangers, il est difficile de savoir qui a raison et qui n'a pas raison. « Il est très difficile de savoir comment juger cela », admet McGaugh. « Je ne me sens même pas entièrement qualifié pour juger sur ces échelles, et je suis bien plus qualifié que la plupart des gens ! »

Banik ne voit pas seulement l’échec de MOND dans de vastes binaires. Il cite également le cas de notre propre système solaire. L’un des principes centraux de MOND est le phénomène de « l’effet de champ externe », par lequel le champ gravitationnel global de la Voie lactée est capable de s’imprimer sur des systèmes plus petits, tels que notre système solaire. Nous devrions voir cette empreinte, notamment sur les orbites des planètes extérieures. La recherche de cet effet grâce aux données de radiolocalisation de Le vaisseau spatial Cassini de la NASA, qui a tourné autour de Saturne entre 2004 et 2017, n'a trouvé aucune preuve de l'effet de champ externe sur l'orbite de Saturne.

"Les gens commencent à se rendre compte qu'il n'y a aucun moyen de concilier MOND avec la non-détection des effets dans les données Cassini et que MOND ne fonctionnera pas à des échelles inférieures à une année-lumière", explique Banik. Si Banik a raison, alors MOND se trouve dans une très mauvaise situation – mais ce n'est pas le seul champ de bataille où se déroule la guerre de MOND contre la matière noire.

Les énigmes des clusters

En 2006, la NASA a publié un image spectaculaire de deux amas de galaxies en collision, appelés sous leur forme combinée Bullet Cluster. Le télescope spatial Hubble a fourni des vues à haute résolution de la localisation des galaxies, tandis que les observations aux rayons X des gaz chauds entre ces galaxies provenaient de l'observatoire à rayons X Chandra. Sur la base de l'emplacement des galaxies et du gaz, ainsi que du degré de lentille gravitationnelle de la matière dans l'espace courbé de l'amas, les scientifiques ont pu calculer l'emplacement de la matière noire dans l'amas.

"Il a été affirmé que le Bullet Cluster aurait confirmé l'existence de la matière noire, ce qui a été utilisé pour argumenter fortement contre MOND", explique Pavel Kroupa, astrophysicien à l’Université de Bonn. "Eh bien, il s'avère que la situation est exactement le contraire."

Kroupa est féroce dans son enthousiasme pour MOND et a pour objectif de l'explorer à la plus grande échelle de structure possible – des amas de galaxies à grande échelle. Dans sa ligne de mire se trouve rien de moins que le modèle standard de la cosmologie, connu familièrement sous le nom de « lambda-CDM » ou ΛCDM (Λ fait référence à la constante cosmologique, ou à la composante d'énergie noire de l'univers, et CDM est la matière noire froide).

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D'une part, Kroupa estime que des amas de galaxies aussi énormes ne devraient même pas exister, et encore moins avoir eu le temps d'entrer en collision, à des redshifts élevés. ΛCDM postule que les structures devraient croître lentement, et Kroupa soutient que ce serait trop lent pour ce que nos télescopes nous montrent : des galaxies massives et d'énormes amas dans l'univers primitif. Plus pertinent encore, c'est la dynamique des collisions de clusters elles-mêmes qui donne de l'espoir à Kroupa. En particulier, ΛCDM prédit que les vitesses des galaxies tombant dans le puits gravitationnel de l'amas combiné devraient être bien inférieures à celles observées.

"Les collisions d'amas de galaxies sont en total désaccord avec ΛCDM tout en étant en accord plutôt naturel avec MOND", explique Kroupa. Malgré l'enthousiasme de Kroupa, McGaugh n'en est pas si sûr. En fait, il pense que les amas de galaxies constituent un réel problème à la fois pour ΛCDM et MOND.

«C'est un désastre», concède-t-il. « Pour la matière noire, les vitesses de collision sont beaucoup trop élevées. Les spécialistes de la matière noire ont fait des allers-retours, se demandant si les vitesses étaient trop rapides ou non ? Pour MOND, le fait est que les amas de galaxies présentent un écart de masse même après avoir appliqué MOND. Les clusters me préoccupent parce que je ne vois tout simplement pas de solution efficace pour m'en sortir.»

Une théorie du tout ?

Les clusters et les binaires larges peuvent être débattus à l'infini jusqu'à ce qu'un camp ou l'autre admette sa défaite. Mais la critique la plus sérieuse adressée à MOND est peut-être son absence totale de modèle cosmologique viable. C'est bien beau d'essayer de remplacer la matière noire par une gravité modifiée dans les galaxies, mais pour que la théorie réussisse, elle doit expliquer tout ce que la matière noire peut faire et bien plus encore. Cela signifie qu'il doit être un rival du ΛCDM pour expliquer ce que nous voyons dans le fond de micro-ondes cosmique (CMB) – le rayonnement micro-onde primordial qui remplit l’univers.

Le CMB est souvent qualifié de « boule de feu du big bang », mais il va bien plus loin. Ce que nous appelons des anisotropies, correspondant à des régions de densité légèrement supérieure ou inférieure formées par des ondes acoustiques qui se répercutaient à travers le plasma primordial, sont imprimées sous la forme de subtiles variations de température datant de seulement 379,000 XNUMX ans après le Big Bang. Ce sont les germes de la formation de la structure dans l’univers. De ces graines est née la « toile cosmique » – un réseau de filaments de matière le long duquel se développent les galaxies et, là où les filaments se rencontrent, de grands amas de galaxies.

MOND a été conçu pour expliquer les courbes de rotation des galaxies en s'inspirant de Newton et non d'Einstein. Il a fallu encore 20 ans à Bekenstein pour proposer un modèle relativiste de MOND pouvant être appliqué à la cosmologie moderne. Appelée gravité tenseur-vecteur-scalaire (TeVeS), elle s'est avérée impopulaire, luttant pour expliquer la taille du troisième pic acoustique des anisotropies qui, dans le modèle standard, est attribuable à la matière noire, ainsi que les limites de la modélisation des lentilles gravitationnelles et des ondes gravitationnelles. .

Beaucoup de gens pensaient que le problème d'un modèle relativiste de MOND était si difficile qu'il n'était pas possible. Puis, en 2021 Constantin Skordis ainsi que Tom Zlośnik de l'Académie tchèque des sciences a prouvé que tout le monde avait tort. Dans leur modèle, le duo a introduit des champs vectoriels et scalaires modifiant la gravité qui fonctionnent dans l'univers primitif pour créer des effets gravitationnels qui imitent la matière noire, avant d'évoluer au fil du temps pour ressembler à la théorie MOND habituelle dans l'univers moderne (Phys. Rév. Lett. 127 161302).

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity-physics-world-4.jpg" data-caption="Casse-tête du ciel La mission Planck a cartographié le fond cosmique des micro-ondes. L’interprétation largement acceptée des données est que l’univers contient environ 4.9 % de matière ordinaire, 26.8 % de matière noire et 68.3 % d’énergie noire. La théorie MOND n'était pas initialement capable d'expliquer les variations de température révélées par des missions comme Planck. En 2021, Constantinos Skordis et Tom Złośnik ont ​​créé un modèle inspiré de MOND qui correspond aussi bien aux données de Planck qu'aux modèles de matière noire. (Avec l'aimable autorisation : ESA et Planck Collaboration)" title="Cliquez pour ouvrir l'image dans une fenêtre contextuelle" href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the -bataille-entre-la-matière-sombre-et-la-physique-gravitaire-modifiée-monde-4.jpg”>

Compte tenu de l’histoire tortueuse de la tentative de développement d’un modèle relativiste de MOND, McGaugh estime que c’est une « réussite remarquable » de pouvoir écrire une telle théorie qui corresponde au contexte des micro-ondes. Le modèle Skordis et Złośnik n’est pas parfait. Comme TeVeS, il a du mal à expliquer la quantité de lentilles gravitationnelles que nous observons dans l’univers. Banik souligne également les difficultés du modèle, affirmant qu'« il a rencontré des difficultés dans la mesure où il ne fournit pas une bonne explication des amas de galaxies ».

Baker fait écho à ces préoccupations. « Même si c'était un bon pas en avant pour MOND de pouvoir faire cela », dit-il, « je ne pense pas que ce soit suffisant pour ramener MOND dans le courant dominant. La raison en est que [Skordis et Złośnik] y ont ajouté beaucoup de champs supplémentaires, beaucoup de cloches et de sifflets, et cela perd vraiment en élégance. Cela fonctionne avec le CMB, mais cela semble très contre nature.

Peut-être que nous mettons trop de poids sur les épaules du modèle. Cela pourrait être considéré comme juste un début, une preuve de concept. "Je ne sais pas si c'est la théorie finale ou même si c'est la bonne voie", déclare McGaugh. "Mais les gens disent que cela n'est pas possible, et ce que Skordis et Złośnik ont ​​montré, c'est que c'est possible, et c'est un pas en avant important."

MOND continue de fasciner, de frustrer et de susciter le mépris des disciples de la matière noire. Il y a encore un long chemin à parcourir pour que la communauté scientifique le considère comme un rival de poids du ΛCDM, et cela est certainement entravé par le fait que relativement peu de personnes y travaillent, ce qui signifie que les progrès sont lents.

Mais les succès remportés par cette théorie parvenue ne doivent pas être ignorés, dit McGaugh. À tout le moins, cela devrait permettre aux astronomes de travailler avec le modèle traditionnel de la matière noire sur leurs gardes.

• Dans la deuxième partie de la série en trois parties de Keith Cooper, il explorera certains des récents succès de la matière noire et les sérieux défis auxquels elle est également confrontée.

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