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Des galaxies défient la théorie de la matière noire

Publié par Le Nouveau Paradigme sur 17 Octobre 2016, 07:55am

Catégories : #Sciences

De nouvelles mesures concernant les galaxies font, une fois de plus, pencher la balance du côté de la théorie Mond. Celle-ci modifie les lois de la gravitation de Newton, au détriment de la théorie de la matière noire, qui est au fondement du modèle standard de la cosmologie. Mais peut-être faut-il simplement considérer des modèles de matière noire exotiques, comme nous l'explique l'astrophysicien Benoît Famaey.

Une petite bombe a explosé en astrophysique il y a quelques semaines. Celle-ci aurait peut-être le pouvoir d'ébranler, voire de révolutionner à terme, les fondements de la cosmologie, et finalement ceux de la physique fondamentale.


Il s'agit d'une étude réalisée par Stacy McGaugh, de la Case Western Reserve University, en compagnie de ses collègues Federico Lelli et Jim Schombert. Elle concerne, comme les chercheurs l'expliquent dans un article déposé sur arXiv et accepté dans Physical Review Letters, les mouvements des étoiles dans 153 galaxies de formes et de masses variées, par exemple des grandes galaxies spirales et des petites galaxies irrégulières.


Ces mouvements semblent difficilement réconciliables avec le modèle standard de la matière noire. En revanche, ils s'expliquent bien dans le cadre de la théorie Mond (la théorie de la dynamique newtonienne modifiée, en anglais Modified Newtonian dynamics), qui propose des modifications de la physique newtonienne : sa mécanique et sa loi de la gravitation censées être valables avec de faibles vitesses et accélérations.


Stacy McGaugh est connu pour ses travaux sur les galaxies à faible brillance de surface et ceux sur la théorie Mond. En comparaison de l'hypothèse de l'existence de la matière noire, Mond rend de mieux en mieux compte des observations concernant les galaxies, notamment les galaxies naines satellites de la galaxie d’Andromède (voir aussi à ce propos notre article Faut-il abandonner la matière noire pour Mond ? L'avis de Benoît Famaey).

L’astronome américain Stacy McGaugh a travaillé sur les galaxies à faible brillance de surface, la formation et l'évolution des galaxies. On le connaît aussi pour ses travaux sur la matière noire, la théorie Mond et le rayonnement fossile.

© Case Western Reserve University


Succès et déboires de la théorie de la matière noire


Les résultats qui viennent d'être obtenus en utilisant les observations accumulées durant cinq ans dans l'infrarouge proche par le télescope Spitzer sont troublants. Ils viennent alimenter le débat entre, d'une part, les partisans de l'introduction de nouvelles particules pour rendre compte du monde des galaxies, et, d'autre part, ceux qui préfèrent modifier la loi de la gravitation.


Pour en comprendre les raisons, quelques rappels sont nécessaires.


La matière noire est nécessaire pour faire naître les galaxies et rendre compte de certaines caractéristiques du rayonnement fossile solidement établies par les mesures du satellite Planck. Aucune autre explication ne tient actuellement la route.


Par ailleurs, à l'échelle des galaxies, on constate que les vitesses des étoiles ne décroissent pas selon la distance au centre des galaxies comme elles devraient le faire en fonction de la répartition et de la masse des étoiles observées. Pour expliquer ce fait, on a tout d'abord postulé l'existence d'une quantité de matière supplémentaire bien plus importante, mais ne rayonnant pas, donc noire, sous la forme d'un halo quasiment sphérique entourant chaque galaxie. Nous savons, pour plusieurs raisons, que ce ne peut pas être de la matière normale. Heureusement, bien des extensions de la physique du modèle standard conduisent naturellement à l'existence de nouvelles particules encore inconnues sur Terre qui pourraient constituer cette matière noire. Malheureusement, et contre toute attente, le démarrage du LHC - ainsi que celui de bien des détecteurs imaginés pour mettre en évidence ces nouvelles particules et qui sont en fonctionnement (AMS, LUX, etc.) - n'a rien donné depuis une dizaine d'années.


Mond, l'alternative proposée en 1983 par le physicien Mordehai Milgrom, d'abord regardée avec défiance, prend donc de plus en plus de poids, même si elle échoue quand certains tentent de l'utiliser pour expliquer les observations de Planck et les grandes structures regroupant les galaxies. Cependant, une version tenant compte de la théorie de la relativité, encore à découvrir, pourrait bien ne pas avoir le même défaut.

 

Sur ce schéma, est représentée en pointillés la courbe des vitesses de rotation des étoiles dans une galaxie déduite de la répartition de ces étoiles dans le disque. Les observations ne valident pas cette déduction. En effet, les étoiles détectées dans le visible tournent plus vite, tout comme les nuages d'hydrogène repérés grâce à la fameuse raie à 21 cm. Les vitesses sont ici en km/s et les distances en milliers d'années-lumière (ly sur le schéma).

© Wikipédia, DP



Une nouvelle prédiction de Mond couronnée de succès


Toujours est-il qu'en utilisant les données de Spitzer, McGaugh et ses collègues ont montré que les valeurs des accélérations des étoiles, dans un échantillon de 153 galaxies diverses, sont étroitement liées, et, de plus, de la même façon, aux variations de la répartition de la matière normale sous forme d'étoiles.


Or, ces accélérations, qui traduisent l'action de la force de gravitation, devraient largement être causées et déterminées par la répartition de la matière noire dans les halos. En effet, celle-ci est bien plus massive que la matière normale, à en croire les répartitions des vitesses des étoiles interprétées dans le cadre du modèle de la matière noire. Il ne devrait donc pas exister de corrélations entre les accélérations et la distribution de matière normale lumineuse... sauf si l'on introduit une nouvelle loi de la gravitation, et non pas de nouvelles particules, comme le postule Mond.


Faut-il en conclure que le modèle standard de la cosmologie vient d'être réfuté (ce qui n'implique nullement celui du Big Bang) et que nous savons maintenant que la matière noire n'existe pas ? Pour le savoir, Futura s'est tourné à nouveau vers l'astrophysicien Benoît Famaey, qui connaît d'ailleurs bien Stacy McGaugh puisqu'il a rédigé un article de fond sur Mond en sa compagnie pour Living Reviews in Relativity.

 

L'astrophysicien Benoît Famaey est un spécialiste des galaxies et de Mond. Chercheur au CNRS, il travaille à l'observatoire de Strasbourg.

© Pierre Maraval



Est-ce la première fois que l'on découvre une relation entre la répartition des étoiles dans les galaxies et leur accélération en dehors du modèle de la matière noire ?


Benoît Famaey : En fait non, ni d'un point de vue théorique ni d'un point de vue expérimental. Dès 1983, Milgrom avait prédit, dans le cadre de sa théorie, une relation conforme à celle observée aujourd'hui. Elle émergeait également des mesures de courbes de rotation faites depuis un certain temps. L'incertitude sur le rapport entre luminosité et masse des étoiles restait néanmoins problématique pour conclure avec certitude. En 2010, mes collègues et moi avions déjà utilisé les données Spitzer pour 12 galaxies avec la même conclusion, mais l'échantillon de 153 galaxies utilisé ici ne laisse, enfin, plus aucune place au doute. Cette relation est réelle.


Faut-il donc maintenant abandonner l'hypothèse de l'existence de la matière noire au profit de Mond ?
Benoît Famaey : Les choses ne sont pas si simples. Mond est plus un cadre de relations phénoménologiques décrivant - et même prédisant - les observations qu'une théorie bien précise. On peut construire des modèles exotiques de matière noire qui conduisent les étoiles à avoir des mouvements semblant contredire les lois de Newton alors que, fondamentalement, il n'en est rien.
On ne peut pas exclure non plus que tout le monde ait raison et que, pour réconcilier les observations qui sont contradictoires entre le rayonnement fossile et les étoiles dans les galaxies, il soit nécessaire de postuler de nouvelles particules ET une nouvelle loi de la gravitation.
Il est difficile, par exemple, d'expliquer les mesures concernant les amas de galaxies faites avec l'effet de lentille gravitationnelle en utilisant seulement Mond. On peut y arriver en introduisant également de la matière noire. Ce n'est pas sans problèmes. On a essayé de le faire, par exemple, avec une population de neutrinos massifs, les neutrinos stériles. Mais l'existence de ces neutrinos conduirait à la formation d'amas de galaxies qui sont bien plus massifs que ceux observés.

L'astrophysicien Justin Khoury travaille à la frontière entre la cosmologie et la physique des particules. Il a notamment proposé un nouveau modèle pour la matière noire.

© Perimeter Institute



Pouvez-vous donner un exemple de modèle exotique de matière noire qui permettrait de reproduire les succès de Mond ?
Benoît Famaey : Il y a d'abord le modèle de matière noire avec dipôles gravitationnels proposé par Luc Blanchet. Il existe aussi une théorie proposée récemment par Justin Khoury qui fait intervenir des particules décrites par un champ similaire à celui d'un modèle de matière noire souvent étudié, celui des axions. Ces particules pourraient se comporter comme un superfluide sans viscosité en dessous d'une certaine température critique. Cette température critique serait d'autant plus élevée que la densité est grande. Cette transition de phase se produirait justement au niveau des galaxies, lorsque la matière noire est beaucoup plus froide, un peu comme un gaz qui se condense en donnant des gouttes de liquide.
Des ondes sonores dans ce superfluide sont décrites par des phonons, comme dans le cas des solides, d'un point de vue quantique. Il est alors possible de montrer que ces phonons peuvent interagir avec la matière normale comme si la force de gravité était modifiée en donnant précisément les phénomènes que l'on trouve dans le cadre de Mond.
Au moment où le rayonnement fossile a été émis et au niveau de la formation des amas de galaxies et des grandes structures qui les regroupent, la matière noire est, bien sûr, non relativiste mais quand même trop chaude pour se comporter comme un superfluide, de sorte que Mond ne s'applique pas.


L'ESA vient de rendre publics les premiers résultats des observations de Gaia. À terme, on devrait faire un bond de géant dans la connaissance des positions et vitesses des étoiles de la Voie lactée, qu'elles soient dans son disque, son bulbe ou dans le halo.

 

Pourra-t-on y voir plus clair sur toutes ces questions, voire confirmer Mond ?
Benoît Famaey : Les résultats déjà obtenus avec Gaia ne nous permettent pas encore de le savoir mais d'ici quelques années, on aura des contraintes beaucoup plus fortes dans la Voie lactée sur les modèles de matière noire ou sur ceux qui font intervenir des modifications de la loi de la gravitation. On devrait alors être en bien meilleure position pour départager, peut-être, ces deux hypothèses et en tester d'autres comme le modèle de matière noire superfluide. En attendant, on continue de travailler.

Interview : quelles particules composent la matière noire ?  

Selon les calculs et les observations, il existerait dans l'espace une grande quantité de matière invisible. Cette masse mystérieuse, baptisée matière noire, est encore aujourd'hui une énigme à laquelle se frottent de nombreux chercheurs. Dans le cadre de sa série de vidéos Questions d’experts, sur la physique et l’astrophysique, l’éditeur De Boeck a interrogé Richard Taillet, chercheur au LAPTH, afin qu'il nous en dise plus sur cette matière noire. 

Laurent Sacco, Futura-Sciences

 

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