Vue à grande échelle de la simulation MareNostrum réalisée par le Projet Horizon. Les galaxies apparaissent comme des points, insérées dans un réseau de filaments chauds et de courants froids, visibles en bleu. L'Univers observable ressemble à cette simulation mais, pour faire naître les galaxies et ces structures, il faut avoir une théorie qui reproduit les caractéristiques du rayonnement fossile. © Projet Horizon, CEA
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Matière noire : Mond permettrait enfin de s'en passer pour expliquer le rayonnement fossile et former les premières galaxies !

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L'alternative à la matière noire consistant à modifier les lois de la mécanique céleste de Newton, la théorie Mond, devient sans cesse plus crédible depuis ces dernière années. Ses principaux défauts, qui sont de ne pas être compatible avec la théorie de la relativité d'Einstein et surtout avec les caractéristiques du rayonnement fossile permettant de faire naître les galaxies, semblent enfin éliminés comme nous l'explique l'astrophysicien Benoît Famaey.

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Le modèle standard de la physique des particules a fait l'objet de vérifications impressionnantes grâce aux collisions de protons menées au LHC. Pourtant, tous les physiciens des hautes énergies savent que ce modèle est incomplet et qu'il doit n'être que la forme que prend, à basses énergies, une théorie unifiée des forces. L'immense majorité des théories de ce genre prédisent l'existence de nouvelles particules qui pourraient se comporter comme les particules de matière noire invoquées pour rendre compte des mouvements des étoiles dans les galaxies et des galaxies dans les amas de galaxies. Ces particules de matière noire ne peuvent être des particules de matière ordinaire pour diverses raisons.

Certains physiciens n'aiment pas postuler l'existence de nouvelles particules encore jamais détectées, d'autant plus que cela fait des décennies qu'ils les cherchent, et que les modèles reposant sur leur existence rencontrent des difficultés à rendre compte de la dynamique des galaxies. 

Ils préfèrent modifier les lois de la gravitation et, en particulier, celles de la 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.

Il existe un cadre théorique pour cela, exploré depuis le début des années 1980 par le physicien israélien Milgrom : Modified Newtonian dynamics (Mond).

La théorie Mond a rencontré de nombreux succès ces dernières années, notamment parce qu'elle rend mieux compte, par exemple, des observations concernant la dynamique des galaxies spirales, et même des 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 très complet sur le sujet pour Living Reviews in Relativity.

L'astrophysicien Benoît Famaey. © Pierre Maraval

Or, cela fait plus d'un siècle maintenant qu'Albert Einstein a découvert sa  théorie de la relativité générale en se basant notamment sur le fait que, pour être cohérente, la physique devait imposer à la gravitation d'être compatible avec la théorie de la relativité restreinte. D'autres équations que celles d'Einstein prolongeant sa théorie de l'espace-temps courbe et relativiste ont depuis été proposées mais la théorie d'Einstein a résisté victorieusement à tous les tests, que ce soit avec des trous noirs comme Sgr A* ou M87*, ou bien en étudiant les ondes gravitationnelles.

On continue toutefois à tenter de la réfuter en cherchant des violations du principe d’équivalence ou en montrant que des théories dites tenseur-scalaire sont plus pertinentes pour décrire le réel, par exemple, pour rendre compte de l'énergie noire, un autre des piliers du modèle cosmologique standard dont l'un des principaux pionniers est le prix Nobel de physique James Peebles.

Toutes ces considérations sont rappelées pour comprendre que, pour rendre Mond plus crédible, il faudrait en trouver une version relativiste. 

Lors d'une des interviews qu'il nous avait accordées il y a plusieurs années, Benoit Famaey nous avait fait les commentaires suivant à ce sujet, que nous reprenons ci-dessous, avant de l'interviewer à nouveau à la lumière des développements récents.

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-éther 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 mini trous noirs au LHC.

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.

Le physicien Jacob Bekenstein, hélas décédé. © wikipédia

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.

Mais Benoît Famaey ne nous avait pas caché qu'il existait d'autres problèmes bien plus sérieux avec Mond que celui consistant à en trouver une formulation relativiste. Nous reprenons à nouveau des extraits de ses explications.

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. 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.

Mais 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 du spectre de puissance de ce rayonnement à partir des observations de Planck, on voit apparaître *de nombreux pics* associés à ce fond diffus cosmologique ou FDC (en anglais, Cosmic Microwave Background ou CMB), dont les trois premiers en particulier (ceux aux plus grandes échelles) sont une véritable mine d'informations sur notre Univers. 

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, le 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. © ESA and the Planck Collaboration

Cependant, ces dernières années, c'est bien le problème d'une compatibilité de Mond avec les observations du rayonnement fossiles faites avec le satellite Planck qui est systématiquement mis en avant pour défendre l'existence de la matière noire, en précisant d'ailleurs que, sans elle, il n'est pas possible de faire croître assez vite les galaxies pour qu'on les observe aujourd'hui. Le cosmos observable serait bien trop jeune pour cela.

On comprend donc bien que c'est potentiellement une bombe qui vient d'exploser avec la mise en ligne sur arXiv d'un article de Constantinos Skordis et Tom Złosnik.

En revisitant et généralisant les théories de type TeVeS de Bekenstein, qui semblaient réfutées par les observations avec les ondes gravitationnelles émises par la fusion des étoiles à neutrons, en particulier dans le cas de GW170817, les deux chercheurs annoncent non seulement avoir trouvé une formulation relativiste de Mond, libre des objections précédemment faites mais surtout avoir réussi, pour la première fois, à reproduire la courbe du spectre de puissance angulaire du CMB révélée par les observations de Planck.

Pour en savoir plus sur la matière noire versus Mond, vous pouvez visionner cette conférence de Françoise Combes, astronome à l’Observatoire de Paris, professeure au Collège de France. © Cité des sciences et de l'industrie

Futura a donc décidé de se tourner à nouveau vers Benoît Famaey pour qu'il nous explique ce qu'il pense de ces nouveaux résultats.

Futura-Sciences : Skordis et  Złosnik proposent aujourd'hui une version relativiste de Mond et pensent qu'ils sont bel et bien arrivés, pour la première fois, à rendre compte des caractéristiques du rayonnement fossile. Pourtant, ils font appel à une théorie de type TeVeS. Or, récemment l'essor de l'astronomie multimessager avec la détection conjointe d'ondes gravitationnelles et électromagnétiques a été présenté comme sonnant le glas pour ce type de théorie. Que faut-il donc en penser ?

Benoît Famaey : La première détection directe sur Terre le 17 août 2017 des ondes gravitationnelles émises par la source baptisée GW170817 simultanément à sa contrepartie électromagnétique, s'était révélée incompatible au début avec les théories de type TeVeS. Mais, déjà en 2019,  Skordis et Złosnik avaient montré qu'il n'en était rien.

Comme leur nom l'indique, les théories de type TeVeS font intervenir trois champs qui se combinent pour influencer les phénomènes physiques. On trouve un champ tensoriel qui décrit la métrique et la courbure de l'espace-temps comme en relativité générale, mais aussi un champ vectoriel comme un champ électrique, ou un champ de vitesse et un champ scalaire, comme ceux utilisés pour décrire le boson de Brout-Englert-Higgs ou l'énergie noire dans des modèles dits de quintessence initialement proposés en 1988 par Bharat Vishnu Ratra et James Peebles.

Le champ tensoriel décrit la propagation des ondes gravitationnelles à la vitesse de la lumière que l'on connait. Mais, dans la version originale de TeVeS, il se combine avec les deux autres champs pour donner un second champ tensoriel qui se manifeste comme un espace-temps différent où se propagent les particules du modèle standard. On peut montrer alors que la vitesse de propagation des ondes gravitationnelles et électromagnétiques ne sont pas les mêmes, en lien avec un phénomène que l'on appelle l'effet Shapiro, à savoir que le champ de gravitation d'un corps ne se contente pas de dévier les rayons lumineux, il augmente leurs temps de propagation.

La kilonova accompagnant GW170817 a émis des ondes électromagnétiques qui ont traversé les champs de gravité produits par toutes les galaxies s'interposant entre la kilonova et nous. À la fin, on peut calculer un retard d'arrivée des ondes électromagnétiques par rapport aux ondes gravitationnelles.

Les mesures de Ligo et Virgo, obtenues conjointement avec celles concernant des ondes électromagnétiques, allant du domaine radio à celui des rayons gamma, montraient que les ondes gravitationnelles allaient bien à la vitesse limite que nous avons découverte sur Terre initialement avec les ondes lumineuses (mais qui est, en fait, une vitesse limite générale imposée par la nature de l'espace-temps). Elles exhibaient aussi l'effet Shapiro mais d'une manière telle que cela conduisait en apparence à une réfutation des théories TeVeS comme Sibel Boran, Shantanu Desai, Emre Kahya et  Richard Woodard  l'ont expliqué en 2017, car le retard calculé des ondes lumineuses n'était pas là.

Toutefois, la généralisation de TeVeS passée inaperçue jusqu'en 2019 et pointée par Skordis et Złosnik n'a pas ce défaut. Les ondes gravitationnelles et électromagnétiques s'y propagent bien à la même vitesse, car il s'agit en réalité d'une théorie Tenseur-Vecteur, dite "Einstein-éther non-canonique" (et le champ scalaire ne fait alors que quantifier la norme du vecteur), ce qui permet d'annuler la différence des vitesses de propagation des ondes gravitationnelle et électromagnétique pour toute une classe de Lagrangiens.

Le physicien israélien Mordehai Milgrom a proposé au début des années 1980 un nouveau cadre pour la théorie de la gravitation. Il s'agissait d'expliquer les anomalies des mouvements des étoiles dans les galaxies sans postuler de nouvelles particules, donc en dehors du modèle de la matière noire froide. © Weizmann Institute of Science

Futura-Sciences : Constantinos Skordis et Tom Złosnik ont donc trouvé le moyen d'échapper à la réfutation d'une théorie de type TeVeS par les observations tout à la fois de Ligo, Virgo et Planck, mais cela suffit-il vraiment pour se passer de matière noire pour faire naître les galaxies ?

Benoît Famaey :  Oui, Skordis et Zlosnik affirment dans leur article pouvoir reproduire le spectre de puissance de la matière dans le régime linéaire. En d'autres termes, sans avoir besoin de faire des simulations numériques avec la nouvelle théorie proposée, on peut montrer analytiquement dans le régime linéaire des perturbations que les structures se forment bien comme avec de la matière noire. Jusqu'à présent, il fallait de la matière noire pour accélérer l'effondrement gravitationnel de la matière ordinaire pour les faire naître.

Le fait que l'on arrive maintenant, dans le cadre d'une version relativiste de Mond, à reproduire le spectre de puissance de la matière dans le régime linéaire, nous l'assure ; même s'il faudra encore tester ce que prédit cette théorie plus tard dans l'histoire de l'Univers, ce qui nécessitera des simulations. Récemment, mes collègues de l'université de Bonn, Nils Wittenburg et Pavel Kroupa, et moi-même avons publié un article dans Astrophysical Journal dans lequel nous avions déjà montré qu'il était possible de faire naître dans le cadre de Mond des galaxies ressemblant aux galaxies à disque observées. Néanmoins, nous n'avions pas de cadre cosmologique clair dans lequel travailler. Avec la théorie de Skordis et Zlosnik, c'est chose faite.

Futura-Sciences : Peut-on déduire les équations proposées par Constantinos Skordis et Tom Złosnik d'une théorie fondamentale de la physique, par exemple la théorie des supercordes ?

Benoît Famaey : Peut-être. Ce qui est sûr, c'est que leur théorie fait une sorte d'interpolation entre deux autres théories en fonction de l'état du champ scalaire et de ses variations. Dans un régime d''équilibre, c'est-à-dire sans grandes variations temporelles, dit régime quasi-statique, on retrouve la théorie TeVeS de Bekenstein qui fonctionne bien pour décrire le mouvement des étoiles dans les galaxies et les effets de lentilles gravitationnelles observés dans les galaxies.

C'est en réalité une théorie de type Einstein-éther. Dans un autre régime, où la dépendance temporelle est importante, c'est-à-dire le régime adéquat pour décrire l'Univers primordial et le rayonnement fossile au moment de son émission, le champ scalaire donne à la théorie l'aspect de celles considérées sous le nom de théories de type K-essence, une variante des théories de quintessence pour décrire l'énergie noire, mais qui peuvent aussi se comporter comme de la matière noire.

Une théorie de type Einstein-éther contient la théorie de la relativité générale mais aussi un champ vectoriel qui permet de définir un référentiel absolu, comme le permettait l'éther de la physique classique avant Einstein. Les théories de type K-essence utilisent un champ scalaire pour rendre compte de l'énergie noire à partir d'un Lagrangien, comme le disent les physiciens dans leur jargon, qui ne dépend du champ scalaire que par la valeur de ce qui se comporte comme son énergie cinétique, d'où le K pour "Kinetic Energy" en anglais.

En conclusion, je dirais que cette théorie de Skordis et Zlosnik n'est, à ce stade, qu'une "preuve de concept" montrant qu'on peut reproduire le fond diffus cosmologique avec une théorie relativiste de Mond, mais c'est en soi un tour de force qu'on pensait quasiment impossible il y a quelques années (voir interview ci-dessus). Avant de savoir si cette théorie effective peut dériver d'une théorie plus fondamentale, il faudra vérifier ce qu'elle prédit dans des régimes pour lesquels elle n'a pas été conçue.

En effet, la théorie a été construite pour reproduire à la fois le fond diffus cosmologique et Mond dans les galaxies. C'est déjà en soi un exploit, mais ce qui fait la marque d'une "bonne" théorie est sa capacité à prédire des phénomènes nouveaux dans des régimes pour lesquels elle n'a pas été construite. En ce sens, il sera particulièrement intéressant de voir quelles seront les prédictions de la théorie de Constantinos Skordis et Tom Złosnik dans le régime décrivant les amas de galaxies. Ce pourrait être un excellent test, qui pourrait exclure la théorie, ou, a contrario, nous révéler de bonnes surprises. Il faut donc maintenant que nous nous mettions au travail.

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