Selon la théorie de la gravitation universelle de Sir Isaac Newton, la gravité est une action à distance, où un objet ressent l’influence d’un autre quelle que soit la distance. Cela est devenu une caractéristique centrale de la physique newtonienne classique qui est restée le canon accepté pendant plus de deux cents ans. Au 20e siècle, Einstein a commencé à reconceptualiser la gravité avec sa théorie de la relativité générale, où la gravité modifie la courbure de l’espace-temps local. De là, nous obtenons le principe de localité, qui stipule qu’un objet est directement influencé par son environnement et que les objets distants ne peuvent pas communiquer instantanément.
Cependant, la naissance de la mécanique quantique a provoqué une autre conceptualisation, car les physiciens ont découvert que non seulement les phénomènes non locaux existent, mais qu’ils sont fondamentaux pour la réalité telle que nous la connaissons. Cela inclut l’intrication quantique, où les propriétés d’une particule peuvent être transférées à une autre instantanément et quelle que soit la distance. Dans une nouvelle étude de l’International School for Advanced Studies (SISSA) à Trieste, en Italie, une équipe de chercheurs suggère que la matière noire pourrait interagir avec la gravité de manière non locale.
L’équipe était dirigée par Francesco Benetti et Giovanni Gandolfi, deux docteurs. étudiants du groupe d’astrophysique et de cosmologie du SISSA. Il a été rejoint par des chercheurs de l’Institut de physique fondamentale de l’univers (IFPU), de l’Institut national de physique nucléaire (INFN) et de l’Institut de radioastronomie de l’Institut national d’astrophysique (IRA-INAF). Leur article, « Dark Matter in Fractional Gravity. I. Astrophysical Tests on Galactic Scales » (le premier d’une série traitant des interactions DM), paru dans Le Journal Astronomique.
Selon la théorie la plus répandue de la cosmologie, la matière noire est la masse mystérieuse qui constitue environ 85 % de la matière de l’univers. Cette matière n’interagit pas avec la matière baryonique (c’est-à-dire la matière normale ou “visible”) par l’électromagnétisme ou les forces nucléaires, seulement la gravité (la force fondamentale la plus faible). Il était présent peu de temps après le Big Bang, où il a formé des halos qui ont provoqué le regroupement de tout l’hydrogène neutre en amas, donnant naissance aux premières étoiles de l’Univers qui se sont liées pour créer les premières galaxies.
En théorie, le DM est un composant fondamental de la nature, responsable de la formation de structures cosmiques allant des galaxies aux amas de galaxies. Il est également responsable des courbes de rotation des galaxies, ce qui fait que les étoiles du disque d’une galaxie orbitent autour d’un centre commun. Son existence est aussi nécessaire pour que la Relativité Générale, vérifiée à l’infini par l’observation et l’expérimentation, fonctionne aux plus grandes échelles. Cependant, la nature du DM reste un mystère en termes de sa composition (WIMPs ou Axions ?) et comment il interagit avec des galaxies plus petites.
Selon les auteurs, leur étude propose un nouveau modèle d’interaction non locale entre le DM d’une galaxie et la gravité, qui pourrait offrir une nouvelle perspective sur la nature encore mystérieuse de cette masse invisible. Comme l’a dit Einstein, en décrivant la relativité générale en un mot, “la matière indique à l’espace-temps comment se courber, et l’espace-temps courbe indique à la matière comment se déplacer”. Comme Benetti a décrit la théorie de son équipe à Universe Today par e-mail, “Dans la partie la plus profonde des petites galaxies, la matière noire se comporte comme un objet non local, interagissant avec toutes les autres masses de l’Univers.”
Cela contraste avec l’opinion prédominante selon laquelle la matière noire est «froide», ce qui signifie qu’elle est composée de particules massives à faible interaction (WIMPS). Ces particules se déplacent lentement par rapport à la vitesse de la lumière et interagissent faiblement et localement avec la matière normale. Comme Benetti l’a indiqué :
« Bien que le modèle de matière noire le plus utilisé (ce qu’on appelle Cold Dark Matter, CDM) donne des prédictions bien confirmées par des données expérimentales à l’échelle cosmologique, il souffre de problèmes au sein des galaxies, en particulier dans les noyaux des plus petites. Notre modèle est capable de surmonter ces problèmes en proposant une interaction non locale entre la matière noire au sein des galaxies.
Pour modéliser leur théorie de la non-localité du DM, l’équipe a utilisé le calcul fractionnaire, une branche de l’analyse mathématique développée pour la première fois au 17ème siècle. Ces dernières années, le calcul fractionnaire s’est avéré avoir des applications dans divers domaines de la physique, mais n’a jamais été testé en astrophysique auparavant. Lorsqu’elle est utilisée pour décrire la DM dans un système confiné (galaxies de petite taille), cette non-localité apparaît comme un comportement collectif des particules. Benetti et ses collègues ont appliqué leur théorie aux courbes de rotation de milliers de types différents de galaxies – des petites naines dominées par le DM aux grandes spirales.
Leurs résultats ont montré que leur théorie pouvait prédire la vitesse de rotation des galaxies (en particulier les plus petites) mieux que CDM dans la gravité newtonienne – ce qu’ils ont confirmé en utilisant une analyse statistique bayésienne. Dit Benetti :
“En particulier, la théorie prédit correctement de nombreuses lois d’échelle observées dans les environnements galactiques (la relation d’accélération radiale, la densité de la surface du noyau par rapport au rayon du noyau, le rayon du noyau par rapport à la longueur de l’échelle du disque) et que la densité de matière noire devrait être supprimée au centre de Galaxies naines par rapport à celle prédite par un modèle de matière noire froide en gravité newtonienne. Ceci est confirmé par les observations et représente l’un des plus gros problèmes des modèles de matière noire froide dans la gravité newtonienne.
En particulier, la théorie proposée par Benetti et ses collègues pourrait fournir des indices sur ce que l’on appelle le «problème Cusp-Core» (ou «problème Cuspy Halo»). Cela fait référence à l’écart entre les profils de densité DM déduits des galaxies de faible masse et les profils de densité prédits par les simulations cosmologiques. Plusieurs solutions possibles ont été proposées pour ce problème, y compris des mécanismes de rétroaction possibles pour alterner les théories de DM (y compris la possibilité qu’il puisse être “chaud”).
La théorie de la non-localité proposée par Benetti et son équipe offre une solution potentiellement révolutionnaire dans le cadre du CDM et pourrait avoir des implications significatives pour la cosmologie. “De plus, si le mécanisme par lequel la matière noire développe des comportements non locaux dans ces systèmes est le résultat de la nature quantique, il représenterait un exemple de système quantique à des échelles macroscopiques et galactiques, un phénomène très intéressant en soi”, a déclaré Benetti. ajoutée. « Notamment, d’autres modèles de matière noire de nature quantique sont déjà connus de la communauté, mais aucun d’entre eux n’introduit une interaction non locale via une dérivée fractionnaire.
Cette recherche fait partie d’un effort croissant pour contraindre la nature de la matière noire et de l’énergie noire, deux des plus grands mystères auxquels sont confrontés les astronomes et les cosmologistes aujourd’hui. Ces efforts bénéficieront considérablement des télescopes de nouvelle génération comme la mission Euclid de l’ESA (qui a été lancée plus tôt dans la journée !) et le télescope spatial romain Nancy Grace (RST), dont le lancement est prévu d’ici 2027.
Lectures complémentaires : SISSA
