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Faut-il abandonner la matière noire pour Mond ? L'avis de Benoît Famaey

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Après avoir fait un peu connaissance avec la théorie Mond, proposée en 1983 par Mordehai Milgrom pour expliquer les observations au niveau des galaxies sans faire intervenir de la matière noire, nous continuons notre entretien à son sujet en compagnie de l'astrophysicien Benoît Famaey. Quelles sont les contraintes observationnelles sur cette théorie et ses variantes qui ont été proposées au cours des années ? Peut-on vraiment se passer de la matière noire avec Mond ?

La galaxie spirale NGC 6946 permet de dresser la courbe de vitesse de rotation des étoiles en fonction de leur distance (en parsecs). La théorie Mond reproduit bien les observations alors que la théorie de Newton échoue. © Science
L'astrophysicien Benoît Famaey. © Pierre Maraval

La première partie de cet interview avec Benoît Famaey nous a fait faire connaissance avec Mond, mais quelle est son statut actuel vis à vis des observations et de la matière noire ?

Futura-Sciences : Mond est-elle en accord avec la théorie de la relativité restreinte comme devait l'être la théorie de la gravitation d'Einstein ?

Benoît Famaey : Au début, ce n'était pas le cas mais on a cherché assez rapidement des modifications des équations de la relativité générale dont on puisse déduire la relation de Milgrom. L'une des premières, bien qu'elle ne brille pas par son élégance, a été la théorie TeVeS proposée par Jacob Bekenstein. Il s'agit en fait d'une théorie appartenant à un ensemble plus large de théories reposant sur l'existence d'un champ de vecteur dynamique en plus de la métrique d'Einstein dans la théorie de la gravitation, théorie dont des variantes ont été développées notamment par des astronomes de l'université d'Oxford, et connues sous le nom de « théories Einstein-Ether non canoniques ». Ces derniers temps, ces théories apparaissent néanmoins en relative difficulté, notamment en raison de problèmes de stabilité interne.

Depuis quelques années, Milgrom explore une autre formulation relativiste baptisée Bimond. Elle consiste à introduire deux métriques d'espace-temps différentes (c'est pourquoi on parle de théorie bimétrique) qui peuvent s'interpréter en introduisant un second univers en interaction avec le nôtre, d'une façon qui ne viole pas les contraintes de la physique des particules. Il y a déjà eu quelques formulations sérieuses de théories de ce genre par exemple par Andrei Linde (pour expliquer la faible valeur de la constante cosmologique) ou dans le cadre de la théorie des cordes où il existe des cosmologies avec des univers parallèles. Le modèle ekpyrotique de Paul Steinhardt, Burt Ovrut, Justin Khoury et Neil Turok en est un bon exemple, ainsi que l'un de ceux proposés par Lisa Randall et Raman Sundrum qui permettait d'espérer la création de minitrous noirs au LHC.

Le physicien Jacob Bekenstein. © wikipédia

Une troisième façon d'avoir un modèle relativiste expliquant la relation de Milgrom est paradoxalement de la faire dériver d'un modèle particulier de matière noire proposé par Luc Blanchet.

Baptisée matière noire dipolaire par analogie avec ce qui se passe dans les milieux diélectriques, elle serait constituée de paires de particules de même masse mais de signes opposés. Ce n'est pas évident de considérer des masses négatives en relativité générale et il faut ajouter une nouvelle force pour que ces paires soient liées de façon stable. Mais remarquablement, sans modifier les équations d'Einstein et du fait que, dans ce modèle, le halo de matière noire entourant les galaxies se comporte comme une sorte de milieu polarisable du point de vue de la gravitation, on retrouve la relation de Milgrom.

Quels sont les problèmes que Mond rencontre avec les observations ?

Benoît Famaey : Le problème que l'on cite probablement le plus souvent est celui que l'on rencontre lorsque l'on étudie les amas de galaxies à l'aide de l'effet de lentille gravitationnelle mais on peut citer aussi le rayonnement fossile. Le cas le plus célèbre est celui du «Bullet Cluster » mais en fait, il ne réfute pas complètement Mond. À strictement parler, tout ce que ces observations démontrent c'est que Mond sans matière noire ne rend pas compte des observations pour les amas mais on n'est pas obligé d'expliquer ce que nous montrent nos instruments uniquement avec de la matière noire. Il se pourrait fort bien que des modifications de la loi de la gravitation ET des particules de matière noire soient précisément la bonne description du monde des galaxies, des amas de galaxies, et de la cosmologie.

Une matière noire constituée de particules légères, par exemple des neutrinos stériles d'une masse de quelques électrons-volt, condenserait à l'échelle des amas mais pas à l'échelle des galaxies : c'est d'ailleurs pourquoi ces particules très légères ont été depuis longtemps abandonnées comme candidats à la matière noire. Mais en présence d'une modification de la gravitation qui pourrait expliquer les observations galactiques, ces particules pourraient revenir en odeur de sainteté pour expliquer la masse manquante à l'échelle des amas des galaxies, de même que le rayonnement fossile. Il ne s'agirait évidemment pas à priori d'une solution très élégante.

Il y a par ailleurs un fait assez curieux concernant les amas, qui n'a pas manqué d'être signalé par Milgrom. On peut utiliser Mond pour décrire les amas de galaxies en supposant qu'un peu de matière normale se trouve sous une forme difficilement détectable au centre des amas de galaxies. Or les calculs de la nucléosynthèse primordiale, qui ont permis de rendre compte de l'abondance relative de l'hydrogène et de l'hélium dans l'univers observable, nous disent qu'il manque des baryons à l'appel quand on fait le bilan de la matière normale sous forme d'étoiles ou de nuages de gaz. Cette matière noire baryonique, on la cherche toujours et même si on l'a en partie retrouvée, il en manque encore.

Diagramme montrant la répartition supposée des baryons de l'univers observable sous différentes formes (voir les explications détaillées ci-dessous). © Benoît Famey

Sur le diagramme ci-dessus on peut voir la somme des baryons détectés (en pourcentage de la densité requise par la nucléosynthèse primordiale) :

  • sous la forme d'étoiles (7 %) ;
  • dans le milieu intergalactique « chaud » (WHIM, 25 %) ;
  • dans la forêt Lyman-alpha (hydrogène neutre intergalactique « froid », 28%) ;
  • dans le gaz atomique et moléculaire galactiques (2 %) ;
  • dans le gaz plus chaud entourant les galaxies (CGM, 5 %) ;
  • dans le gaz chaud au sein des amas et groupes de galaxies (ICM, 4%).

Reste un petit tiers de baryons manquants qui sont quelque part mais où ? Grosso modo, on a besoin de seulement 5 à 10 % du total à mettre au centre des amas pour expliquer la masse manquante desdits amas en Mond, bien moins que les 29 % encore manquants, donc en principe ils pourraient bien être là (sous forme de petits nuages d'hydrogène moléculaire par exemple). Mais on ne voit pas trop pourquoi cette matière noire baryonique serait concentrée seulement au centre des amas. Peut-être qu'une compréhension plus fine de la formation des amas nous donnera la réponse.

Le problème numéro 1 de Mond en tant que modification pure de la gravitation (mais pas de Mond en tant que phénoménologie galactique évidemment) est dans sa confrontation au rayonnement fossile. Lorsque l'on dresse la fameuse courbe de puissance de ce rayonnement à partir des observations de WMap, on voit apparaître trois pics. De la même façon que les raies spectrales d'un élément sont sa carte d'identité, ces pics nous donnent des informations sur la géométrie et le contenu de l'univers observable. En l'absence de matière noire, ce troisième pic devrait être nettement plus petit que le second, même avec Mond. Ce n'est pas ce qu'on observe.

Comme on ne sait pas vraiment ce qui se cache derrière la relation de Milgrom, il n'est pas exclu qu'une version relativiste de Mond soit finalement capable de rendre compte de ce troisième pic mais pour le moment on ne voit pas bien comment.

Une représentation de la fameuse courbe du spectre de puissance angulaire du CMB. C'est en quelque sorte une courbe de puissance moyenne du rayonnement donnant l'importance des fluctuations de températures en fonction de la résolution en échelle angulaire (angulaire scale). La taille et la position des oscillations dépendent du contenu, de l'âge, de la taille de l'univers et de bien d'autres paramètres cosmologiques encore. © Nasa-WMap Science Team

L'article de Moni-Bidin et ses collègues de l'ESO a beaucoup fait parler de lui récemment car il apparaissait comme une possible réfutation du modèle de la matière noire froide. Fournissait-il un argument de plus en faveur de Mond dans les galaxies ?

Benoît Famaey : les résultats de Moni Bidin et al. concernant les mouvements de plus de 400 étoiles au-dessus d'une région du disque entourant le Soleil étaient encore beaucoup plus dévastateurs pour Mond que pour la matière noire.

La méthode qu'ils ont utilisée pour tenter d'y évaluer la densité de matière noire dans le halo et dans la région du disque entourant le Soleil semblait indiquer que cette région était bien plus pauvre en matière noire que ce à quoi on s'attendait dans le cadre du modèle CDM habituel. On pouvait même considérer qu'elle n'était pas présente. Mais il ne s'agissait pas nécessairement d'une réfutation de l'existence de la matière noire. En effet, on pouvait imaginer que la matière noire soit distribuée plus « en grumeaux » que ce que l'on pensait et que par malchance, on se trouvait dans une région sous-dense du halo galactique.

Avec Mond, point de telle échappatoire, l'effet de « boost » de la gravitation devait bien être là (effet interprété comme celui de la matière noire en gravitation Newtonienne), et les observations de Moni Bidin et al. semblaient donc paradoxalement fournir la première réfutation concluante de Mond à l'échelle galactique.

L'article qu'ont publié par la suite Jo Bovy et Scott Tremaine a tout changé. Ils ont montré qu'une des hypothèses concernant les mouvements des étoiles utilisées pour contraindre la densité de matière noire dans la région entourant le Soleil n'était pas compatible avec les observations. Si la méthode qu'ils ont utilisée reste toujours très pertinente pour étudier ce problème, elle conduit maintenant à des résultats complètement opposés. Les calculs donnent une estimation de la densité de matière noire en parfait accord avec ce à quoi l'on s'attend pour un halo de matière noire typique.

L'un des plus grands spécialistes de la dynamique des galaxies, l'astrophysicien Scott Tremaine. © Princeton University

Les nouveaux résultats de Bovy et Tremaine sont aussi en accord total avec la prédiction de Mond quant au « boost » local de la gravitation, en réalité plus en accord avec Mond que toutes les études précédentes. Nous venons de vérifier cela avec quelques collègues, et en effet la valeur obtenue par Bovy et Tremaine est bang on (comme on dit en anglais) la prédiction de Mond.

Je ne suis pas un aficionado « jusqu'au-boutiste » de Mond, et reconnais aisément toutes ses failles, surtout aux échelles extragalactiques. Mais ici, il serait vraiment injuste envers Mond que le résultat de Bovy et Tremaine soit considéré comme un renforcement du modèle de la matière noire froide dans le débat qui les oppose. C'est plutôt match nul dans le cas présent.

Qu'en est-il du problème de la distribution spatiale des galaxies naines satellites de la Voie lactée ? Pavel Kroupa et ses collègues ont publié un article récemment dans lequel ils réaffirment que les observations à son sujet ne sont pas compatibles avec la matière noire.

Benoît Famaey : Il s'agit là d'observations très intrigantes sur lesquelles Pavel Kroupa travaille depuis des années. Cela a clairement mis en lumière une apparente faille dans la compréhension actuelle de la formation des galaxies, à moins que la Voie lactée ne soit une anomalie statistique, avec une chance de l'ordre de 1 sur 200 de se retrouver avec une telle distribution de satellites. Attention, les anomalies statistiques existent, il y a des milliards de galaxies dans l'univers, et cela n'arrive pas nécessairement qu'aux autres. Il sera donc important de confirmer que des distributions similaires sont observées dans d'autres galaxies. En ce qui concerne Mond, il est trop tôt pour dire si ce problème pourrait être réglé. Il faudrait pour cela que l'on ait une cosmologie et un modèle de formation des structures dans une version relativiste de Mond, et ce dans une version au moins aussi développée que l'approche standard l'est aujourd'hui. C'est encore loin d'être le cas.

Nous terminons donc cet entretien par un point d'interrogation. Un de plus !