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La matière noire a été proposée pour expliquer pourquoi les étoiles situées aux confins d’une galaxie ont pu se déplacer beaucoup plus rapidement que ce que prédisait Newton. Une autre théorie de la gravité pourrait être une meilleure explication.
En utilisant les lois de la physique de Newton, nous pouvons modéliser le mouvement des planètes dans le système solaire de façon assez précise. Cependant, au début des années 1970, les scientifiques ont découvert que cela ne fonctionnait pas pour galaxies à disque – les étoiles situées sur leurs bords extérieurs, loin de la force gravitationnelle de toute la matière en leur centre – se déplaçaient beaucoup plus rapidement que ce que prédisait la théorie de Newton.
En conséquence, les physiciens ont proposé qu’une substance invisible appelée “matière noire” exerçait une force gravitationnelle supplémentaire, provoquant l’accélération des étoiles – une théorie largement acceptée. Cependant, dans une revue récente mes collègues et moi-même suggérons que les observations sur une vaste gamme d’échelles sont bien mieux expliquées par une théorie alternative de la gravité appelée dynamique milgromienne ou .Mond – qui ne nécessite pas de matière invisible. Cette théorie a été proposée pour la première fois par le physicien israélien Mordehai Milgrom en 1982.
Le postulat principal de Mond est que lorsque la gravité devient très faible, comme c’est le cas près du bord des galaxies, elle commence à se comporter différemment de la physique newtonienne. Ainsi, il est possible de expliquer pourquoi les étoiles, les planètes et le gaz à la périphérie de plus de 150 galaxies tournent plus vite que prévu sur la base de leur seule masse visible. Cependant, Mond ne se contente pas expliquer de telles courbes de rotation, dans de nombreux cas, elle prédit les.
Les philosophes des sciences ont soutenu que ce pouvoir de prédiction rend Mond supérieur au modèle cosmologique standard, qui propose qu’il y ait plus de matière noire dans l’univers que de matière visible. En effet, selon ce modèle, les galaxies ont une quantité très incertaine de matière noire qui dépend des détails de la formation de la galaxie – que nous ne connaissons pas toujours. Il est donc impossible de prédire la vitesse de rotation des galaxies. Mais de telles prédictions sont couramment faites avec Mond, et jusqu’à présent elles ont été confirmées.
Imaginez que nous connaissions la distribution de la masse visible dans une galaxie mais que nous ne connaissions pas encore sa vitesse de rotation. Dans le modèle cosmologique standard, il serait seulement possible de dire avec une certaine confiance que la vitesse de rotation se situera entre 100km/s et 300km/s à la périphérie. Mond prédit avec plus de certitude que la vitesse de rotation doit être comprise entre 180 et 190 km/s.
Si des observations ultérieures révèlent une vitesse de rotation de 188 km/s, cela est compatible avec les deux théories, mais Mond a clairement la préférence. Il s’agit d’une version moderne de Le rasoir d’Occam – selon laquelle la solution la plus simple est préférable aux solutions plus complexes. Dans ce cas, nous devons expliquer les observations avec le moins de “paramètres libres” possible. Les paramètres libres sont des constantes – certains nombres que nous devons insérer dans les équations pour qu’elles fonctionnent. Mais ils ne sont pas donnés par la théorie elle-même – il n’y a aucune raison qu’ils aient une valeur particulière – et nous devons donc les mesurer par l’observation. La constante de gravitation, G, dans la théorie de la gravité de Newton ou la quantité de matière noire dans les galaxies dans le modèle cosmologique standard en sont des exemples.
Nous avons introduit un concept connu sous le nom de “flexibilité théorique” pour capturer l’idée sous-jacente du rasoir d’Occam selon laquelle une théorie avec plus de paramètres libres est cohérente avec un plus large éventail de données – ce qui la rend plus complexe. Dans notre revue, nous avons utilisé ce concept pour tester le modèle cosmologique standard et Mond par rapport à diverses observations astronomiques, telles que la rotation des galaxies et les mouvements au sein des amas de galaxies.
A chaque fois, nous avons donné un score de flexibilité théorique entre -2 et +2. Un score de -2 indique qu’un modèle fait une prédiction claire et précise sans regarder les données. À l’inverse, un score de +2 implique que tout est permis – les théoriciens auraient été en mesure d’adapter presque tous les résultats d’observation plausibles (car il y a tellement de paramètres libres). Nous avons également évalué dans quelle mesure chaque modèle correspond aux observations, +2 indiquant un excellent accord et -2 étant réservé aux observations qui montrent clairement que la théorie est fausse. Nous soustrayons ensuite le score de flexibilité théorique de celui de l’accord avec les observations, puisque bien correspondre aux données est une bonne chose – mais être capable de s’adapter à n’importe quoi est une bonne chose.mauvais.
Une bonne théorie fait des prédictions claires qui sont ensuite confirmées, obtenant idéalement un score combiné de +4 dans de nombreux tests différents (+2 -(-2) = +4). Une mauvaise théorie obtiendrait un score compris entre 0 et -4 (-2 -(+2)= -4). Les prédictions précises échouent dans ce cas – elles ont peu de chances de fonctionner avec une mauvaise physique.
Nous avons trouvé un score moyen pour le modèle cosmologique standard de -0,25 sur 32 tests, tandis que Mond a obtenu une moyenne de +1,69 sur 29 tests. Les scores de chaque théorie dans de nombreux tests différents sont présentés dans les figures 1 et 2 ci-dessous pour le modèle cosmologique standard et Mond, respectivement.
Figure 1. Comparaison du modèle cosmologique standard avec les observations, basée sur l’adéquation des données à la théorie (amélioration de bas en haut) et sur la flexibilité de l’ajustement (amélioration de gauche à droite). Le cercle creux n’est pas pris en compte dans notre évaluation, car ces données ont été utilisées pour définir des paramètres libres. Reproduit du tableau 3 de notre revue. Crédit : Arxiv
Figure 2. Similaire à la figure 1, mais pour Mond avec des particules hypothétiques qui n’interagissent que par gravité, appelées neutrinos stériles. Remarquez l’absence de falsifications claires. Reproduit du tableau 4 de notre revue. Crédit : Arxiv
Il est immédiatement évident qu’aucun problème majeur n’a été identifié pour Mond, qui s’accorde au moins de manière plausible avec toutes les données (remarquez que les deux lignes du bas indiquant les falsifications sont vides dans la figure 2).
Les problèmes avec la matière noire
L’un des échecs les plus frappants du modèle cosmologique standard concerne les “barres de galaxie” – des régions brillantes en forme de bâtonnets constituées d’étoiles – que les galaxies spirales ont souvent dans leur région centrale (voir l’image principale). Ces barres tournent au fil du temps. Si les galaxies étaient encastrées dans des halos massifs de matière noire, leurs barres ralentiraient. Cependant, la plupart, voire la totalité, des barres de galaxies observées sont rapides. Ceci falsifie le modèle cosmologique standard avec une confiance très élevée.
Un autre problème est que le modèles originaux qui suggéraient que les galaxies avaient des halos de matière noire faisaient une grosse erreur : ils supposaient que les particules de matière noire fournissaient une gravité à la matière qui les entourait, mais n’étaient pas affectées par la force gravitationnelle de la matière normale. Cela a simplifié les calculs, mais ne reflète pas la réalité. Lorsque cela a été pris en compte dans simulations ultérieures il était clair que les halos de matière noire autour des galaxies n’expliquent pas de manière fiable leurs propriétés.
Il y a beaucoup d’autres échecs du modèle cosmologique standard que nous avons examinés dans notre revue, avec Mond souvent capable de expliquer naturellement les observations. La raison pour laquelle le modèle cosmologique standard est néanmoins si populaire pourrait être due à des erreurs de calcul ou à une connaissance limitée de ses défaillances, dont certaines ont été découvertes assez récemment. Cela pourrait également être dû à la réticence des gens à modifier une théorie de la gravité qui a connu un tel succès dans de nombreux autres domaines de la physique.
L’avance considérable de Mond sur le modèle cosmologique standard dans notre étude nous a conduit à conclure que Mond est fortement favorisé par les observations disponibles. Bien que nous ne prétendions pas que Mond soit parfait, nous pensons qu’il est correct dans son ensemble : les galaxies manquent réellement de matière noire.
Rédigé par Indranil Banik, chercheur postdoctoral en astrophysique, Université de St Andrews.
Référence : “Des barres galactiques à la tension de Hubble : Peser les preuves astrophysiques de la gravité milgromienne”.
par Indranil Banik et Hongsheng Zhao, 27 juin 2022, Symétrie.
DOI : 10.3390/sym14071331
