La théorie controversée de la gravité alternative ravivée par une nouvelle interprétation de la rotation des galaxies

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Gaz d'hydrogène neutre dans la galaxie AGC 114905

Image radio du gaz d’hydrogène neutre dans la galaxie AGC 114905. Son inclinaison est estimée à partir de l’ellipse noire, qui correspond mieux aux données. En supposant que la galaxie est circulaire lorsqu’elle est vue de face, cela implique une inclinaison modérée de 32°. Cependant, la nouvelle étude suggère que l’ellipse bleue pour une très faible inclinaison pourrait en fait être correcte – sauvant ainsi la théorie MOND – si la galaxie est intrinsèquement quelque peu non circulaire. Les auteurs montrent que cela est possible en utilisant une simulation MOND dédiée. Crédit : Figure 7 de Mancera Pina et al. 2022 (MNRAS, 512, 3230)

Un groupe international d’astronomes, dirigé par un physicien de l’Université de St Andrews, a relancé une théorie alternative de la gravité.

Indranil Banik de l’Ecole de Physique et d’Astronomie de l’Université de St Andrews, la recherche a révélé une vitesse de rotation prédite élevée du gaz dans une galaxie naine compatible avec la théorie précédemment démystifiée connue sous le nom de Dynamique Milgromienne (MOND).

Une étude antérieure de la vitesse de rotation du gaz dans la galaxie naine AGC 114905 (Mancera Pina et al, 2022) a trouvé que le gaz tournait très lentement et a donc affirmé que la théorie MOND était morte.

De telles théories sont essentielles pour comprendre notre univers car, selon la physique connue, les galaxies tournent si vite qu’elles devraient se séparer. La théorie MOND est une alternative controversée à la relativité générale, la compréhension dominante du phénomène de la gravité inspirée par Einstein. Cependant, la relativité générale nécessite de la matière noire pour maintenir les galaxies ensemble, alors que la MOND ne nécessite pas de matière noire.

La matière noire n’ayant jamais été détectée malgré des décennies de recherches très sensibles, diverses théories ont été avancées pour expliquer autrement ce qui maintient les galaxies ensemble. Le débat fait rage pour savoir quelle théorie est la bonne. La très faible vitesse de rotation rapportée dans l’étude de Mancera Pina et al est incompatible avec les prédictions d’un univers régi par la relativité générale avec de grandes quantités de matière noire.

Le groupe du Dr Banik soutient que la vitesse de rotation élevée prédite dans la théorie de la gravité MOND est cohérente avec les observations si l’inclinaison de la galaxie est surestimée.

La rotation des étoiles et du gaz dans les galaxies lointaines ne peut pas être mesurée directement. Seule la composante le long de la ligne de visée est connue grâce à des mesures spectroscopiques précises. Si la galaxie est vue presque de face, elle tournera principalement dans le plan du ciel. Cela pourrait induire les observateurs en erreur en leur faisant croire que la galaxie tourne en réalité très lentement, ce qui les obligerait à surestimer l’inclinaison entre les plans du disque et du ciel. Cette inclinaison a été estimée à partir de l’apparence elliptique de la galaxie (voir image).

La nouvelle étude a exploré cette question cruciale en utilisant des simulations MOND détaillées d’une galaxie à disque similaire à AGC 114905 réalisées à l’Université de Bonn par Srikanth Nagesh et sous l’impulsion de Pavel Kroupa, professeur à l’Université de Bonn et à l’Université Charles de Prague. Les simulations montrent qu’elle peut apparaître quelque peu elliptique même lorsqu’elle est vue de face. Cela s’explique par le fait que les étoiles et le gaz de la galaxie sont soumis à la gravité et peuvent s’étirer pour prendre une forme quelque peu non circulaire. Un processus similaire est à l’origine des bras en spirale des galaxies à disque, des caractéristiques si courantes qu’elles sont souvent appelées galaxies spirales.

En conséquence, la galaxie pourrait être beaucoup plus proche de la surface que ne le pensaient les observateurs. Cela pourrait signifier que la galaxie tourne beaucoup plus vite que ce qui est rapporté, éliminant la tension avec MOND.

Le Dr Banik, auteur principal de la nouvelle étude, a déclaré : “Nos simulations montrent que l’inclinaison d’AGC 114905 pourrait être nettement inférieure à ce qui est rapporté, ce qui signifierait que la galaxie tourne en réalité beaucoup plus vite que ce que les gens pensent, en accord avec les attentes de MOND.”

Le Dr Hongsheng Zhao, de l’école de physique et d’astronomie de l’Université de St Andrews, a déclaré : “La très faible vitesse de rotation rapportée de cette galaxie est incompatible à la fois avec MOND et l’approche standard avec la matière noire. Mais seule MOND est capable de contourner cette contradiction apparente.”

La nouvelle étude soutient également qu’un effet similaire de “fausse inclinaison” est peu susceptible de se produire dans l’approche standard de la matière noire, car la galaxie est dominée par le halo lisse de matière noire. Les étoiles et le gaz contribuent peu à la gravité, de sorte que le disque n’est pas “auto-gravitant”.

Cela signifie qu’il est susceptible de paraître très circulaire si on le regarde de face, comme le confirment les simulations effectuées par un autre groupe (Sellwood & ; Sanders,2022). Par conséquent, l’ellipticité observée doit être due à une inclinaison importante entre les plans du disque et du ciel. La vitesse de rotation serait alors très faible, ce qui implique que la galaxie possède très peu de matière noire. Il n’est pas possible dans ce cadre qu’une galaxie naine isolée ait une si petite quantité de matière noire étant donné la masse qu’elle possède en étoiles et en gaz.

Pavel Kroupa, professeur à l’Université de Bonn et à l’Université Charles de Prague, a déclaré à propos du contexte plus large de ces résultats : “Alors que MOND fonctionne bien dans les tests effectués jusqu’à présent, l’approche standard pose de très graves problèmes à toutes les échelles, depuis les galaxies naines comme AGC 114905 jusqu’aux échelles cosmologiques, comme l’ont constaté de nombreuses équipes indépendantes.”

Référence : “Overestimated inclinations of Milgromian disc galaxies : the case of the ultradiffuse galaxy AGC 114905” par Indranil Banik, Srikanth T Nagesh, Hosein Haghi, Pavel Kroupa et Hongsheng Zhao, 19 avril 2022, Notices mensuelles de la Société royale d’astronomie.
DOI : 10.1093/mnras/stac1073

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