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Matière noire et Mond : une interview de Benoît Famaey

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Quelques publications récentes pourraient laisser penser que la piste de la matière noire doit être abandonnée au profit de celle de modifications des lois de Newton de la gravitation dont Mond est la plus célèbre, mais est-ce justifié ? Futura-Sciences a posé la question à l'astrophysicien Benoît Famaey qui connaît bien la théorie Mond. Voici son interview en deux parties, la première nous permet de faire connaissance avec la théorie.

On peut dresser la courbe de vitesse de rotation des étoiles dans la galaxie spirale NGC 6946 en fonction de leur distance (en milliers de parsecs). La théorie Mond reproduit bien les observations alors que la théorie de Newton échoue. © Science

En 2006, la Nasa stupéfiait la communauté des astrophysiciens et des cosmologistes en annonçant avoir obtenu la première preuve indirecte solide de l'existence de la matière noire. Elle avait été acquise en étudiant une collision entre deux amas de galaxies. Dans les années qui suivirent, de nouvelles observations du rayonnement fossile et des effets de lentilles gravitationnelles avec les galaxies ne firent qu'ajouter de nouvelles preuves en faveur de l'existence d'une composante de matière inconnue sur Terre mais plus abondante que l'hydrogène et l'hélium dans le cosmos observable. 

Certains chercheurs n'ont cependant pas été convaincus, ou simplement par acquit de conscience, ont cherché une solution aux divers problèmes cosmologiques et astrophysiques avec les galaxies non pas en introduisant des particules exotiques difficiles à détecter mais en modifiant les lois de Newton de la mécanique et de la gravitation à ces échelles. En général, il s'agissait de théories basées sur une relation proposée au début des années 1980 par le physicien israélien Mordehai Milgrom. On les rassemble souvent sous la dénomination de Modified Newtonian dynamics (Mond).

Ces théories semblaient perdre du terrain depuis quelques années mais l'absence de détection sur Terre de particules de matière noire dans les divers détecteurs partis à leur chasse dans les rayons cosmiques, ainsi que les quêtes décevantes des particules supersymétriques avec le LHC, avaient de quoi rendre perplexe. Surtout, on a assisté ces derniers temps à deux annonces tonitruantes basées sur de nouvelles observations avec la Voie lactée, laissant entendre que l'on était maintenant confronté à un grave problème avec la matière noire. Fallait-il revoir la copie et se tourner sérieusement vers des alternatives aux lois de la gravitation ?

L'astrophysicien Benoît Famaey. © Pierre Maraval

Futura-Sciences a donc interrogé l'astrophysicien Benoît Famaey (qui travaille sur la dynamique des galaxies à l'observatoire de Strasbourg). Il nous donne son avis et l'état des recherches sur la piste d'une modification des lois de la gravité pour rendre compte des observations énigmatiques au niveau des galaxies et des amas de galaxies. Bien que pas du tout opposé à la piste de la matière noire, comme il l'a expliqué à Futura-Sciences, ses recherches l'ont conduit à étudier de près la théorie Mond. Avec son collègue Stacy McGaugh, il a ainsi rédigé un article de fond sur le sujet pour Living Reviews in Relativity. Le chercheur a aussi participé à l'organisation de plusieurs colloques portant sur les théories de type Mond, notamment celui intitulé Modified Gravity Approaches to the Dark Sector qui s'est tenu à Strasbourg en juin 2010.

Futura-Sciences : Pourquoi continue-t-on d'explorer la voie de recherche ouverte en 1983 par Mordehai Milgrom avec Mond ?

Benoît Famaey : Tout simplement parce la relation que Milgrom a proposée cette année-là marche très bien quand on l'applique aux galaxies spirales, un fait d'observation que même les partisans de la matière noire reconnaissent sans aucun problème. Cette relation conduit en plus naturellement à des prédictions que l'on a bien du mal à obtenir avec la matière noire seule. Elle a ainsi prédit, par exemple, le comportement observé des galaxies à faible brillance de surface et des galaxies dites « naines de marée », bien avant que de telles galaxies n'aient été découvertes. La prédiction s'est avérée rigoureusement exacte. Or aujourd'hui, le comportement de ces galaxies est toujours mal compris dans le cadre standard.

Comme il s'agit d'une relation expérimentale bien vérifiée par les observations et qu'elle permet d'expliquer plusieurs faits curieux sans multiplier les hypothèses, il n'est guère étonnant qu'elle soit toujours l'objet de multiples travaux de la part des astrophysiciens et cosmologistes.

La relation de Milgrom apparaît comme très robuste et devrait donc subsister dans un cadre théorique encore à déterminer : soit dans le cadre standard par une meilleure compréhension des interactions entre matière visible et matière noire, soit dans un cadre standard légèrement modifié, soit dans un cadre théorique tout à fait neuf.

Plusieurs théories ont été proposées pour expliquer son existence, des modifications des lois de la gravitation, bien sûr, mais aussi des propriétés adéquates de certaines formes de matière noire. Ces théories peuvent être réfutées par les observations, c'est du moins ce qu'on espère... jusqu'à ce qu'on trouve la bonne explication.

Le physicien Mordehai Milgrom. © Weizmann Institute of Science

Quelle est cette relation ?

Benoît Famaey : En physique newtonienne, le cas simple d'une grande masseM attirant une plus petite masse m située à une distance r de la première est décrit par la relation bien connue, où a est  l'accélération du petit corps et G est la constante de la gravitation de Newton : 

                                   

Milgrom a introduit un facteur  qui dépend de a où a0 est une nouvelle constante universelle telle que :

                                   

Lorsque l'on est proche du corps central et que l'accélération a de la masse m va être grande devant a0, le facteur  vaut 1 et l'on retrouve la physique de Newton. Mais lorsque l'on se trouve à de plus grandes distances telles que l'accélération a est faible devant a0, ce facteur change et devient proportionnel à a/a0, de telle sorte que l'accélération a n'est plus donnée par la loi de Newton, mais par :

                                  

Notons au passage l'analogie frappante entre la relation de Milgrom et la loi de Coulomb dans un milieu isolant diélectrique, où le champ électrique E engendré par une charge extérieure Q est donné par :

                                 

est la permittivité du vide et la permittivité relative du milieu.  

Quand on considère une galaxie spirale, la masse qu'elle contient n'est pas assimilable à une unique masse M concentrée au centre de la galaxie. Mais on sait faire des calculs donnant l'influence de la matière dans une telle galaxie sur l'accélération et au final la vitesse de rotation d'une étoile à une distance r du centre de cette galaxie. Lorsqu'on a dressé des courbes de vitesse de rotation des étoiles dans les galaxies spirales en fonction de leurs distances au centre de ces galaxies, et compte tenu de la distribution de matière observée sous forme d'étoiles et de nuages de gaz, on s'attendait, en physique newtonienne, à ce que la vitesse de rotation décroisse rapidement à partir d'une distance faible du centre des galaxies spirales.

Les observations des courbes de révolution des étoiles autour du centre de leur galaxie montrent qu'elles tournent trop vite si l'on se base sur la loi de la gravitation de Newton ou sur la masse déduite de la luminosité des galaxies. © Gianfranco Bertone

Comme le montre la courbe ci-dessus, ce n'est pas ce qui a été observé. Les vitesses des étoiles ne décroissent pas rapidement mais se retrouvent sur une sorte de plateau. Une façon d'expliquer ce phénomène est de faire intervenir une composante supplémentaire de matière qui ne rayonne pas, de la matière noire donc. On peut également faire intervenir la relation de Milgrom.

Ce qui plaide en faveur de la relation de Milgrom est qu'elle prédit bien l'existence d'une accélération a0 universelle à partir de laquelle un écart avec les prédictions des lois de Newton déduites de la distribution de matière normale est observé. Si l'on fait intervenir de la matière noire, on s'attendrait à ce que cet écart varie en fonction des galaxies spirales observées du fait de leurs tailles, de leurs histoires et de leur environnement. De ce point de vue, le caractère universel de a0 est très intriguant et nécessite une explication. De l'ordre de 10-8 cm/s2, sa valeur est assez proche numériquement de la quantité cH0, une accélération obtenue en multipliant la vitesse de la lumière par la constante d'Hubble, ce qui pourrait indiquer un lien avec la cosmologie et l'énergie noire.

Un autre atout de la relation de Milgrom est qu'elle permet de prédire la forme et la valeur des constantes présentes dans la relation de Tully Fisher baryonique qui relie la magnitude absolue d'une galaxie spirale à sa vitesse maximale de rotation. Là aussi, il n'est pas facile de comprendre d'où vient cette relation à partir de la matière noire, comme l'a souligné Stacy McGaugh.

À lire, la suite de l'interview de Benoît Famey.

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