Un extrait de la simulation Illustris, voir la vidéo à son sujet dans l'article. © Illustris Collaboration

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Une gravité « caméléon » pourrait expliquer le monde des galaxies

ActualitéClassé sous :théorie de la relativité générale , énergie noire , axion

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Des alternatives à la théorie de la gravitation d'Einstein se comportent comme si une cinquième force existait. Les particules associées à cette cinquième force ont des caractéristiques qui changent en fonction de la densité de matière présente. Des simulations numériques montrent que ces alternatives à la relativité générale peuvent rendre compte de la naissance des galaxies, en plus de l'existence de l'énergie noire.

Beaucoup de théoriciens du début des années 2000 auraient sans doute parié que les mystères de la nature de la matière noire et de l'origine de l'accélération du cosmos observable allaient être résolus au début des années 2010. C'est malheureusement loin d'être le cas. Mais il est encore trop tôt pour désespérer car de nombreux modèles théoriques existent encore qui n'ont pas été réfutés par les expériences menées par exemple avec le LHC, le détecteur AMS ou le satellite Planck.

Le LSST ou le satellite Euclid vont bientôt prendre le relais, complétant d'autres expériences en cours, et un flot de données se prépare à ruisseler dans les ordinateurs que la noosphère va utiliser pour décrypter ses racines cosmiques. Les grandes structures de l'univers, rassemblant galaxies et amas de galaxies vont être plus précisément connues, comme ces objets eux-mêmes - Gaia permet déjà de sonder et cartographier la Voie lactée comme jamais auparavant.

Toutefois, pour révéler une nouvelle physique à l'œuvre des galaxies aux amas de galaxies regroupés en filaments enlaçant des bulles presque vides, il faut pouvoir générer d'autres flots de données, non pas issues de la nature mais des modèles numériques basés sur des hypothèses relevant ou non d'une nouvelle physique au-delà, en particulier, de la relativité générale d'Einstein.

Des simulations numériques de la formation des galaxies

Comme la puissance des superordinateurs a augmenté considérablement au cours des dernières décennies, il est désormais possible de simuler la formation des galaxies et des grandes structures. Pas uniquement à partir de distribution de matière noire mais aussi en tenant compte des processus affectant la matière baryonique, comme le souffle des supernovae ou celui des trous noirs supermassifs en mode quasar. Ces processus peuvent en effet entrer dans des boucles de rétroaction avec le comportement de la matière noire, laquelle a initialement permis la naissance des galaxies en accélérant l'effondrement de la matière normale, et en provoquant ensuite le rassemblement des amas de galaxies en filaments.

On sait que toutes ces structures sont sensibles aux caractéristiques des particules de matière noire mais on peut également voir l'influence de l'énergie noire, que l'on pense responsable de l'accélération de l'expansion du cosmos (on peut avoir ce phénomène sans énergie noire avec des modèles de cosmologie relativiste qui ne sont pas homogènes du point de vue de la répartition de la matière). Dans tous ces cas, matière noire et énergie noire pourraient en fait n'être que des effets d'une théorie relativiste de la gravitation autre que celle d'Einstein.

Une présentation des simulations numériques d’Illustris-The Next Generation. 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 ». © SpaceRip

Des simulations numériques, en particulier celle d'Illustris-The Next Generation (Illustris TNG), peuvent être menées avec l'une de ces théories que les théoriciens étudient depuis longtemps. En comparant les données des observations à celles des simulations, on peut donc réfuter ou corroborer tel ou tel modèle de la gravitation. C'est précisément ce qu'ont fait des cosmologistes de l'université de Durham en utilisant Illustris TNG et une sous-classe particulière de ce que l'on appelle la classe des théories f(R). Les chercheurs l'expliquent dans un article paru dans le journal Nature Astronomy, et en accès libre sur arXiv.

Des particules caméléons dont les masses s'adaptent à l'environnement

Quelques rappels sur ce que l'on appelle les théories f(R) sont nécessaires pour comprendre de quoi il retourne. En physique théorique, il est commode d'introduire les lois fondamentales à partir d'une fonction que l'on appelle un lagrangien. Dans le cas d'une théorie de la gravitation, cette fonction peut dépendre de la quantité R qui désigne le scalaire de courbure de l'espace-temps dans une théorie relativiste de la gravitation. À lui seul, il permet de dériver la théorie d’Einstein en utilisant une technique mathématique puissante, le calcul variationnel. Or, de même qu'un polynôme p(X) peut être approximé par une formule en a+bX lorsque X est petit, on pouvait penser que le terme en R - dont dérivaient les équations d'Einstein - n'était que l'approximation d'une fonction f(R) plus compliquée en a+bR+cR2+... lorsque la courbure de l'espace-temps est faible.

On peut montrer qu'une théorie f(R) est équivalente à la théorie d'Einstein en interaction avec un champs scalaire semblable au champ du fameux boson de Brout-Englert-Higgs. C'est un exemple de ce que l'on appelle une théorie tenseur-scalaire de la gravitation. On peut poser des contraintes sur ce genre de théorie dans le Système solaire, au niveau des pulsars et des trous noirs et bien sûr dans le monde des galaxies et des amas de galaxies.

Tout se passe comme si on introduisait une cinquième force, mais si l'on peut rendre compte de façon appropriée de l'énergie noire avec ce genre de théorie, l'accord obtenu est détruit généralement avec les observations dans le Système solaire ou avec des pulsars binaires... sauf si la fonction f(R) conduit, et c'est possible, à un champ scalaire adoptant une sorte d'effet caméléon. On parle alors de gravité caméléon.

Comme Futura l'expliquait dans l'article précédent ci-dessous, un champ caméléon a des caractéristiques qui dépendent de la densité de matière dans la région où il est présent. Une forte densité conduira par exemple à une forte masse pour la particule associée au champ scalaire, qui se comportera alors aussi comme les fameux mésons pi de Yukawa décrivant les forces entre nucléons dans les noyaux. Dit autrement, les particules caméléons auront une très faible portée et leurs effets ne seront pas sensibles dans les mesures d'orbites faites, par exemple, dans le Système solaire. À l'inverse, la masse des particules caméléons devient faible à des échelles de distance bien plus grandes du fait des faibles densités moyennes. L'effet de la cinquième force devient alors notable et ce serait donc notamment l'énergie noire.

Ce qu'ont réussi à montrer les chercheurs de Durham, c'est qu'une gravité caméléon est bel et bien en mesure de rendre compte de la formation et des caractéristiques des galaxies, en particulier spirales, que l'on observe.

Cela ne prouve pas que la gravitation caméléon est bien une bonne description du cosmos observable, mais cela prouve en tout cas que c'est une voie de recherche sérieuse qu'il va falloir explorer plus complètement.

  • On peut tester des alternatives à la théorie relativiste d'Einstein de la gravitation avec les mouvements des planètes dans le Système solaire mais aussi au niveau des galaxies.
  • Certaines de ces alternatives rendent compte de l'existence de l'énergie noire mais supposent l'introduction effective de l'équivalent d'un champ scalaire avec des particules.
  • Mais les masses et les couplages de ces particules avec la matière, fictives quand elles sont déduites de certaines classes de théories de la gravitation, ne sont pas les mêmes à grande ou petite échelle.
  • On peut lever la contradiction tout en rendant compte des observations en considérant des théories de la gravité où ces caractéristiques des particules fictives changent avec la densité de matière. Leurs masses seraient élevées proche du Soleil, par exemple, mais faibles dans les amas de galaxies.
  • Ces classes de théories de la gravité relativiste « caméléon » rendent bien compte de la formation des galaxies.
Pour en savoir plus

Une particule caméléon pour expliquer l'énergie noire

Article de Laurent Sacco publié le 16/02/2009

Particule hypothétique, l'axion constitue peut-être une partie de la matière noire. Une autre particule hypothétique, lui ressemblant beaucoup, dont la masse et l'effet sur les particules de matière normale pourraient varier en fonction de la densité de matière, pourrait, elle, expliquer l'énergie noire. Une expérience du Fermilab chasse cette particule caméléon...

La nature de l'énergie noire accélérant l'Univers est toujours inconnue, même si l'on a de bonnes raisons de penser qu'il s'agit d'une véritable constante cosmologique. Pour un théoricien, l'énergie noire pose de redoutables défis mais elle représente aussi l'espoir d'obtenir des informations sur une physique au-delà du modèle standard qui restera peut-être à tout jamais inaccessible en accélérateur. Plusieurs modèles issus de la théorie des cordes conduisent à des prédictions sur la nature de l'énergie noire.

Sans aller jusqu'à faire intervenir directement cette théorie mythique, les astrophysiciens théoriciens proposent différentes théories phénoménologiques pour tenter de faire la lumière sur l'énergie noire. L'une d'elles est particulièrement intéressante car elle conduit à des prédictions qui peuvent être testées en laboratoire.

L'idée proposée par Justin Khoury et Amanda Weltman en 2003 est simple mais subtile. Rappelons que l'énergie noire ne semble se manifester qu'à des distances énormes, au niveau des amas de galaxies, et qu'elle accélère l'expansion de l'Univers. Elle se comporte donc comme une sorte d'anti-gravité. On peut raisonnablement se demander si ses effets ne sont pas perceptibles à l'échelle du système solaire, dont on rendrait compte par des extensions de la théorie de la relativité générale comme celles faisant intervenir un champ scalaire. Malheureusement, il y a des bornes issues des observations dans le système solaire et avec les pulsars binaires émettant des ondes gravitationnelles qui contraignent fortement l'existence d'un champ scalaire associé à la gravitation.

Certaines des théories avec champ scalaire induisent aussi des modifications dans le temps et dans l'espace de la constante de structure fine, la constante de couplage intervenant dans les processus électromagnétique décrit par la QED. Il y a eu quelques annonces suggérant des valeurs différentes de cette constante au début de l'histoire de l'Univers mais jusqu'à présent, les observations réalisées par exemple au niveau des quasars restent non concluantes.

Toutefois, de la même façon qu'il a fallu se rendre compte que les neutrinos pouvaient osciller et changer de masse, il se pourrait que la masse et la constante de couplage avec la matière, la gravitation et le champ électromagnétique d'une particule décrite par un champ scalaire, dépendent de la densité de matière du lieu où elle interagit.

Amanda Weltman. © African Summer Theory Institute (ASTI)

Des photons peuvent-ils devenir des camélons ?

Selon  Khoury et Weltman, on pourrait imaginer que la particule soit massive et avec un couplage très faible au niveau du système solaire et des galaxies, mais au contraire légère et avec un couplage fort au niveau des amas de galaxies, là où la densité de matière est beaucoup plus faible. Ceci permettrait alors de réconcilier les observations. S'adaptant selon son environnement, une telle particule a donc tout naturellement été nommée une particule caméléon.

Bien sûr, cette explication, de prime abord, évoque fortement un épicycle à la Ptolémée. Mais elle ne l'est guère plus que l'introduction de l'oscillation des neutrinos pour expliquer le problème du déficit en neutrinos solaire ou bien la découverte de la liberté asymptotique des quarks. Là aussi, une valeur différente de la constante de couplage en fonction de la distance entre quarks sert à expliquer pourquoi on n'observe jamais de quarks isolés.

Mais il y a mieux ! En effet, les équations proposées par Khoury et Weltman décrivent un champ scalaire qui ressemble beaucoup à un autre invoqué pour résoudre la problème de la matière noire, en l'occurrence l'axion.

On peut alors imaginer de tester la théorie avec les expériences en cours portant sur la recherche de l'axion. Cela vient d'être fait par un groupe de chercheurs travaillant au Fermilab et dirigé par Aaron Chou, en collaboration avec Amanda Weltman.

Il s'agit toujours de la technique consistant à faire passer un faisceau laser dans un lieu où règne un fort champ magnétique. En l'occurrence, en pénétrant  dans une chambre à vide aux parois massives plongée dans un champ magnétique intense, les photons du laser se convertiraient en partie en particules caméléons massives. Ce faisant, à cause de la conservation de l'énergie, elles ralentiraient fortement et resteraient un certain temps dans la chambre à vide. Or, si l'on coupe le faisceau laser mais que le champ magnétique existe toujours, les particules peuvent redevenir des photons que l'on peut détecter avec un photomultiplicateur à la sortie de la chambre à vide.

L'expérience réalisée dans le cadre de la collaboration GammeV n'a pour le moment rien donné d'autre que de poser des bornes à la masse de ces particules caméléons. Mais les chercheurs pensent pouvoir améliorer la sensibilité du dispositif en refroidissant considérablement la chambre afin de lutter contre les photons parasites du bruit thermique. Un facteur 10.000 pourrait ainsi être gagné. La chasse aux caméléons continue !

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