Matière noire : pour la première fois on forme des galaxies, sans elle et avec Mond

Pour la première fois, des chercheurs des universités de Bonn et de Strasbourg ont simulé la formation de galaxies sur ordinateur en utilisant des lois de la gravité de Newton modifiées dans le cadre de Mond. Les galaxies avec disque qui ont été créées sans matière noire sont similaires à certaines que nous voyons actuellement.

D'après les lois de la gravitation de Newton, en fonction de la distribution des étoiles et même des nuages de gaz que l'on détecte dans les disques des galaxies, ces étoiles et ces nuages devraient tourner de moins en moins vite au fur et à mesure que l'on s'éloigne du centre des galaxies autour desquelles ils sont en orbite. Ce n'est pas le cas, ce qui a fait supposer qu'il devait y avoir une importante quantité de matière qui ne rayonne pas, ou quasiment pas, en quantité bien supérieure à la matière normale dite baryonique qui compose étoiles et nuages de gaz. On peut ainsi rendre compte des observations en imaginant que les galaxies spirales sont plongées dans un halo de cette matière noire, puisqu'elle n'émet pas de lumière, de forme sphérique.

On trouve un problème similaire avec les vitesses des galaxies dans les amas galactiques. Elles sont trop rapides pour que ces astres forment des systèmes gravitationnellement liés, à moins, là aussi, de supposer que les amas sont plongés dans un halo de matière noire bien plus massif et dont le champ de gravité empêche les galaxies formées de baryons de s'échapper des amas.

Il n'est pas possible de rendre compte des particules de matière noire en supposant qu'il s'agit encore de particules connues, principalement des noyaux et des atomes d'hydrogène et d'hélium, sans entrer en contradiction avec les calculs de la nucléosynthèse primordiale de la théorie du Big Bang, laquelle conduit à de nombreuses prédictions couronnées de succès. Les particules de matière noire devraient donc relever d'une physique exotique, encore jamais vue dans des collisions de particules dans des accélérateurs comme le LHC ou dans des détecteurs comme Xenon 1T.

Sur ce schéma, est représentée en pointillés la courbe des vitesses de rotation des étoiles (starlight) 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  

Nouvelles particules ou nouvelle dynamique ?

Ces particules sont restées indétectables et c'est en partie pourquoi depuis une décennie, une autre hypothèse proposée dès le début des années 1980 par le physicien israélien Mordehai Milgrom a été considérée de plus en plus sérieusement. Il s'agit en fait d'un cadre pour différentes théories où on les rassemble souvent sous la dénomination de Modified Newtonian dynamics (Mond). Comme son nom l'indique, il s'agit de modifier les équations de mécanique céleste de Newton de telle sorte qu'à grande distance d'un corps attracteur, l'accélération produite par son champ de gravitation sur un autre corps ne décroît pas de la même façon que dans le cadre de la physique de Newton. De cette manière, les étoiles dans une galaxie peuvent tourner plus vite autour de son centre, comme s'il y avait une masse plus importante mais invisible alors que ce n'est pas le cas.

La théorie Mond a rencontré de nombreux succès ces dernières années, notamment parce qu'elle rend mieux compte, par exemple, des observations concernant les galaxies naines autour d’Andromède et de la Voie lactée. Futura a consacré de nombreux articles à Mond en donnant la parole à plusieurs reprises à l'un des chercheurs qui explorent cette alternative au modèle de la matière noire froide, l'astrophysicien Benoît Famaey (qui travaille sur la dynamique des galaxies à l'observatoire de Strasbourg). Avec son collègue Stacy McGaugh, il a ainsi rédigé un article de fond sur le sujet pour Living Reviews in Relativity.

Aujourd'hui Benoit Famaey et ses collègues de l'université de Bonn, Nils Wittenburg et Pavel Kroupa, viennent de publier un article impressionnant dans le célèbre Astrophysical Journal dans lequel les chercheurs annoncent qu'ils ont fait la première simulation de la formation des galaxies dans le cadre de Mond, donc sans faire usage de matière noire. Ce n'est pas la première fois que l'on fait des simulations de galaxies et de leur évolution dans ce cadre. On peut citer à cet égard les travaux de l'astrophysicienne française Françoise Combes professeur au Collège de France à la chaire « Galaxies et cosmologie », en compagnie de son collègue Olivier Tiret au cours des années 2000.

Un extrait de la simulation montrant la formation d'une galaxie en forme de disque et son évolution sur plusieurs milliards d'années dans le cadre de la théorie Mond. On la voit ici perpendiculairement au plan du disque. © Nils Wittenburg

Des galaxies spirales réalistes avec Mond

Mais ces simulations partaient de disques galactiques déjà préformés alors que dans le cas des travaux que l'on peut consulter en accès libre sur arXiv, on forme des étoiles puis des galaxies ab initio, c'est-à-dire à partir de concentrations en matière ordinaire telles qu'elles devaient être quelques centaines de milliers d'années après le Big Bang, comme l'explique un communiqué de l'université de Bonn à ce sujet. Tout comme dans le cadre du scénario de la cosmologie standard, ces concentrations s'effondrent sous l'effet de leur propre gravité, mais dans le cas présent, ce n'est plus sous l'effet de la gravité newtonienne.

Pour rendre leur simulation encore plus réaliste avec Mond, les trois astrophysiciens ont inclus les effets de la matière baryonique, c'est-à-dire ceux du rayonnement des étoiles sur le gaz qui permet leur formation ainsi que le souffle des explosions de supernovae. On sait que ces processus peuvent conduire à des résultats substantiellement différents sur la formation des galaxies comme le prouve le paradigme des courants froids.

Pavel Kroupa explique en ces termes ce qui a émergé des simulations numériques conduites avec le code baptisé Phantom of RAMSES (POR) : « À bien des égards, nos résultats sont remarquablement proches de ce que nous observons réellement avec les télescopes. De plus, notre simulation a principalement abouti à la formation de galaxies en forme de disques en rotation comme la Voie lactée et comme presque toutes les autres grandes galaxies que nous connaissons... Les simulations avec matière noire, par contre, créent principalement des galaxies sans disques bien distincts - une divergence avec les observations qu'il est difficile d'expliquer. »

Mais devant ces beaux résultats, toujours dans le communiqué de l'université de Bonn, Pavel Kroupa incite à la prudence car tout repose sur des hypothèses qu'il reste à connecter de manière solide aux conditions initiales concernant les fluctuations de densité de matière juste après le Big Bang. Il reste du travail à faire pour y voir plus clair de sorte que les simulations actuelles ne sont qu'un premier pas en direction d'une véritable cosmologie basée sur Mond expliquant l'origine des galaxies.

Un extrait de la simulation montrant la formation d'une galaxie en forme de disque et son évolution sur plusieurs milliards d'années dans le cadre de la théorie Mond. On la voit ici parallèlement au plan du disque. Contrairement aux modèles avec matière noire, l'effet de changements dans la dynamique des baryons ne semble pas conduire à des résultats très différents pour les galaxies. © Nils Wittenburg
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.