M63, ou galaxie du Tournesol, a été découverte en 1779 par Pierre Méchain, et classée la même année par Charles Messier dans son catalogue. Sa structure en forme de spirale a été découverte par Lord Ross au milieu du XIXe, elle fut une des premières de ce type à être identifiée comme telle. On la voit ici en infrarouge dans les données de Spitzer. Messier 63 est à 37 millions d'années-lumière de la Voie lactée. © Nasa, JPL-Caltech
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La théorie Mond marque encore des points contre la matière noire

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La théorie Mond modifie les lois de la gravitation et de la mécanique héritées de Newton et Einstein et permet de se passer jusqu'à un certain point de l'existence de la matière noire pour rendre compte des mouvements des étoiles dans les galaxies. Un effet caractéristique de cette théorie, et qui ne s'explique pas semble-t-il avec de la matière noire, paraît être bien présent dans plus de 150 galaxies. Voilà de quoi alimenter les débats sur le modèle cosmologique standard avec la matière noire.

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Grâce notamment aux travaux conjugués de bien des astrophysiciens et des cosmologistes inspirés par ceux du prix Nobel de physique James Peebles, le modèle cosmologique standard basé sur l'existence de la matière noire froide et d'une constante cosmologique probablement causée par la présence d'une mystérieuse énergie noire a été considérablement développé et testé. On peut s'en convaincre en lisant les ouvrages aussi bien de Peebles que d'un autre prix Nobel, Steven Weinberg.

Tout se passe comme si des particules de matière encore inconnues mais pas ou quasiment pas sensibles à d'autres forces que celle de la gravitation, comme la force électromagnétique expliquant la lumière, dominaient par leur densité les effets de l'attraction gravitationnelle de la matière baryonique normale dans les galaxies et les amas de galaxies.

Cette matière noire était jusqu'il y a peu un ingrédient incontournable et le seul connu pour faire naître rapidement les galaxies et expliquer les caractéristiques du rayonnement fossile observées par Planck.

Toutefois, depuis des décennies, des astrophysiciens ne sont pas convaincus par l'existence de ces particules qui échappent toujours aux détecteurs sur Terre et dans l'espace, que ce soit avec le LHC, AMS ou même Xenon 1T. Ils préfèrent postuler des modifications des lois de la mécanique céleste lorsque le champ de gravitation devient faible en explorant les prédictions de plusieurs théories de la gravitation que l'on peut construire dans le cadre posé depuis le début des années 1980 par le physicien Mordehai Milgrom de l'Institut Weizmann (Israël).

Ce cadre s'appelle Mond, Modified Newtonian dynamics, ce qui peut se traduire par dynamique newtonienne modifiée. Futura a présenté à plusieurs reprises Mond et les recherches à son sujet, notamment avec des interviews avec l'astrophysicien Benoît Famaey qui travaille sur la dynamique des galaxies à l'observatoire de Strasbourg.

Toutefois, modifier les lois de la mécanique céleste de Newton revient in fine à modifier les lois de la théorie de la relativité générale d'Einstein et ce n'est pas une mince affaire. Jusqu'il y a peu de temps, il n'existait pas de version relativiste crédible de Mond en mesure de faire aussi bien que le modèle cosmologique standard en ce qui concerne le rayonnement fossile. Mais cet argument contre Mond a perdu de sa force depuis la mise en ligne sur arXiv d'un article portant sur les travaux théoriques de Constantinos Skordis et Tom Złosnik.

L’astronome états-unien Stacy McGaugh a travaillé sur les galaxies à faible brillance de surface, la formation et l'évolution des galaxies. Il est aussi connu pour ses travaux sur la matière noire, la théorie Mond et le rayonnement fossile. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © TEDx Talks

Un effet de champ gravitationnel spécifique à Mond

Aujourd'hui, l'astronome Stacy McGaugh de l'Université Case Western Reserve vient aussi de publier avec des collègues un article que l'on peut consulter en accès libre sur arXiv et qui montre que Mond marque à nouveau des points contre le modèle cosmologique standard en pointant vers une modification des équations de la théorie relativiste de la gravitation d'Einstein. Stacy McGaugh est un spécialiste de la théorie Mond et, avec Benoît Famaey, il a rédigé un article très complet sur le sujet pour Living Reviews in Relativity.

Dans le cas présent, le chercheur et ses collègues pensent avoir obtenu une preuve d'une des prédictions de Mond qui non seulement n'est pas compatible avec l'existence de la matière noire froide mais contredit un des principes des bases de la théorie de la relativité générale d'Einstein, le principe d'équivalence forte.

Selon ce principe, les lois de la gravitation sont indépendantes de la vitesse et de l'emplacement des distributions de matière. En particulier, le mouvement d'un petit corps test dans un champ de gravitation ne doit pas dépendre de sa position initiale dans l'espace-temps et de sa vitesse, et pas plus de sa constitution. Enfin, le résultat de toute expérience locale (gravitationnelle ou non) dans un laboratoire en chute libre se doit d'être indépendant de la vitesse du laboratoire et de sa localisation dans l'espace-temps.

Or, il y a presque 30 ans Mordehai Milgrom s'est rendu compte que Mond violait ce principe d'équivalence forte via un phénomène baptisé en anglais External Field Effect (EFE). Ce qui peut se traduire par « effet de champ externe ».

Normalement, les mouvements des étoiles dans des galaxies proches les unes des autres sont affectés par les forces de marée gravitationnelles qu'elles exercent les unes sur les autres de la même façon que les mouvements des eaux dans les océans sont affectés sur Terre par le champ de gravitation externe à notre Planète bleue et provenant de la Lune.

Mais, dans le cas des galaxies, Mond implique des effets supplémentaires via l'EFE et c'est bien ce que les chercheurs pensent avoir mis en évidence, qualitativement et quantitativement, en étudiant les courbes de rotation (voir la vidéo ci-dessus à ce sujet) montrant les variations des vitesses pour la matière en fonction de sa distance au centre de 153 galaxies. Ces courbes ont été obtenues dans le cadre des campagnes d'observation menées avec le défunt satellite Spitzer et qui ont permis de constituer une base de données que l'on trouve sur le site de Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves (SPARC).

L'EFE semble particulièrement net dans le cas de la célèbre galaxie M63, la galaxie du Tournesol.

Pour en savoir plus

 

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. Mond semble réussir aussi bien avec les galaxies elliptiques NGC 720 et NGC 1521. © Science

Mond marque des points contre la matière noire

Article de Laurent Sacco publié le 05/10/2012

Galaxie elliptique observée dans le domaine des rayons XNGC 720 montre des caractéristiques en accord avec la présence de matière noire et non avec des modifications des lois de Newton, comme le propose la théorie Mond. Mais selon Mordehai Milgrom, sa théorie ne serait pas incompatible avec ces caractéristiques, et il aurait même réussi à la tester avec des galaxies elliptiques, pour la première fois.

Depuis quelques années, des preuves indirectes convaincantes de l'existence de la matière noire ont été apportées. À l'inverse, des tests de modifications des lois de Newton proposées pour se passer de matière noire au niveau des amas de galaxies semblaient faire perdre du terrain à la théorie du physicien israélien Mordehai Milgrom, la Modified Newtonian dynamics (Mond), en particulier la version relativiste proposée par son collègue Jacob Bekenstein, la théorie TeVeS. Pire, les mesures du rayonnement fossile faites par WMap apparaissaient comme totalement inexplicables avec Mond mais parfaitement concordantes avec le modèle de la matière noire froide complété par la présence de l'énergie noire.

Toutefois, comme nous l'avait expliqué Benoît Famey, la théorie Mond avait marqué des points dans le domaine des galaxies spirales. Visiblement, quelle que soit la physique qui se cachait derrière les équations de Mond, la théorie de Milgrom semblait donner une description bien meilleure de ces galaxies (comme celle d'Andromède ou la Voie lactée) que la théorie de la matière noire froide.

Cependant, il n'existe pas, dans l'univers actuel, que des galaxies spirales, on trouve aussi des galaxies elliptiques. Il existe même quatre grandes classes de galaxies : les elliptiques (E), les lenticulaires (L ou S0), les spirales (S) et les irrégulières (Irr) selon la classification faite initialement par Hubble et complétée par la suite par Gérard de Vaucouleurs.

La galaxie NGC 720 est située à environ 80 millions d'années-lumière en direction de la constellation de la Baleine (Cetus en latin). Sur cette image prise par Chandra, cette galaxie elliptique apparaît clairement enveloppée d'un nuage de gaz émettant des rayons X. Visible sur cette image en fausses couleurs, la température extrême du gaz, environ 7 millions de degrés, rend impossible, en se basant sur la loi de Newton, le confinement du nuage à proximité de NGC 720 grâce à la seule gravité des étoiles visibles de la galaxie. Ce nuage est souvent présenté comme une preuve solide de la présence de matière noire entourant NGC 720 car son influence gravitationnelle peut empêcher le nuage de gaz chaud de s'échapper. La théorie Mond semble désormais fournir elle aussi une bonne description du comportement de ce nuage. © D. Buote (UC Irvine) et al., CXC, Nasa

On a bien évidemment cherché à tester la théorie Mond avec l'autre grande classe de galaxies, précisément celle des elliptiques. Malheureusement, la détermination des courbes de vitesses des étoiles dans les elliptiques n'est pas simple du fait de la variété des orbites dans ces galaxies. Surtout, les accélérations des étoiles mesurables sont telles que les corrections des mouvements, prédites par Mond, sont faibles. Il était donc difficile d'aboutir à des conclusions fermes sur la pertinence de Mond dans le royaume des elliptiques.

Mond révélée dans les elliptiques par les rayons X

Cependant, les galaxies elliptiques comme NGC 720 et NGC 1521 sont plongées dans un halo de gaz chaud, constitué de matière normale, dont les températures de plusieurs millions de degrés le font rayonner dans le domaine des rayons X. En modélisant ce halo et le rayonnement qu'il émet, il est possible de tester la présence d'une composante de masse supplémentaire, ne rayonnant pas, mais retenant par son attraction ce gaz chaud. De fait, en se basant seulement sur la présence de la matière normale visible sous forme d'étoile, il était bien ardu de comprendre comment ce gaz ne s'était pas rapidement évaporé, sauf à postuler la présence de la matière noire.

Dans un article qu'il vient de publier sur arxiv, Mordehai Milgrom affirme aujourd'hui avoir retrouvé les caractéristiques du rayonnement X du halo entourant NGC 720 et NGC 1521 (en sondant le champ de gravitation), en utilisant les équations de Mond. Selon lui, c'est même la première fois que l'on peut tester Mond de façon solide avec des galaxies elliptiques. La performance devient comparable à celle obtenue avec les courbes de vitesses de rotation des galaxies spirales.

Le point le plus important dans l'analyse de Milgrom n'est cependant pas là, selon le chercheur. En effet, étant donné l'histoire de la formation des elliptiques, et leur structure différente des spirales, il est très difficile de comprendre pourquoi les relations entre la distribution de matière normale et la distribution de matière noire supposée sont indépendantes de cette histoire pour ces deux familles de galaxies. Dans le cas de Mond, c'est une conséquence automatique de la théorie. Il semble bel et bien que Mond vienne de marquer des points de plus dans son match contre la matière noire.

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