Ils disent qu'il y a la matière la plus sombre de l'Univers (si on parle de matière en général). Et pourtant, dans la vie de tous les jours, nous ne le rencontrons pratiquement pas. Nous connaissons le soleil - l'objet le plus massif du système solaire - il est fait de matière ordinaire (protons, neutrons et électrons), mais il existe de nombreuses autres sources, notamment les planètes, le gaz, la poussière, le plasma et les restes d'étoiles. La matière noire n'en fait pas partie - et même le modèle standard ne décrit pas ses particules. Bien entendu, la matière noire n'est pas le seul moyen d'expliquer les phénomènes gravitationnels observés dans l'Univers. Une autre option consiste à modifier la théorie de la gravité, ce que beaucoup ont déjà essayé de faire. Cela a donné naissance à l'idée de la dynamique newtonienne modifiée (MOND) et d'autres théories, qui sont toujours des alternatives populaires à la matière noire.
Pour commencer quelque part, il faut remonter aux années 1800 et parler d'un problème qui existait bien avant la «masse manquante» (ou «lumière manquante») que la matière noire et MOND tentent de résoudre: le problème Uranus-Mercure. La loi de la gravité de Newton, lancée par Newton dans les années 1600, a incroyablement réussi à décrire tout - pour autant que nous le sachions - à quoi elle était appliquée. Du mouvement des projectiles aux objets roulants; du poids des objets au tic-tac d'une horloge à pendule; de la flottabilité d'un bateau à l'orbite de la lune autour de la Terre, la gravité de Newton n'a jamais failli.
Les trois lois de Kepler, un cas particulier de la formule gravitationnelle de Newton, appliquée à toutes les planètes connues dans la même mesure:
1. Les planètes se déplacent en ellipses avec le Soleil dans l'un des foyers.
2. Chaque planète se déplace dans un plan passant par le centre du Soleil, et pour des intervalles de temps égaux, le rayon vecteur reliant le Soleil et la planète décrit des aires égales.
3. Les carrés des périodes orbitales des planètes autour du Soleil sont appelés cubes des demi-axes majeurs des planètes.
Les mondes intérieurs et extérieurs connus ont tous obéi à ces lois, de sorte qu'aucune déviation n'a été révélée pendant des centaines d'années. Mais avec la découverte d'Uranus en 1781, quelque chose a changé. Alors que la dernière des planètes découvertes se déplaçait dans une ellipse autour du Soleil, elle se déplaçait à la mauvaise vitesse par rapport aux lois prédites de la gravité.
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Au cours des 20 premières années qui ont suivi son ouverture, il a évolué plus vite, chaque nuit et chaque année, que les lois ne l'imposaient. Au cours des 20 à 25 prochaines années, la planète s'est déplacée en stricte conformité avec les lois. Mais ensuite, il a ralenti et la vitesse est tombée en deçà des prévisions.
Y a-t-il eu une erreur dans la loi de la gravitation? Peut être. Mais il est également possible qu'il y ait eu un peu plus de matière - quelque chose d'invisible, de matière noire - qui affectait Uranus, provoquant des perturbations sur son orbite. Cela ressemble plus à la vérité. Après une guerre théorique entre Urbain Le Verrier et John Coach Adams, qui travaillait de manière indépendante et faisait des prédictions sur la localisation de la nouvelle planète, les prédictions de Le Verrier furent confirmées par Johann Halle et son assistant Heinrich d'Arre le 23 septembre 1846. La planète Neptune a été découverte, le premier objet à être déduit des effets de sa masse: l'influence gravitationnelle.
D'un autre côté, la planète intérieure Mercure - grâce à la précision accrue des observations et en combinaison avec des données séculaires - a commencé à montrer une violation encore plus étrange des lois de la gravité. Si les lois de Kepler prévoyaient que les planètes devraient se déplacer dans des ellipses idéales avec le Soleil dans l'un des foyers, alors à condition qu'il n'y ait pas d'autres masses qui violent ou affectent le système. Mais il n'y a pas de masses autour et Mercure ne se déplace pas le long d'une ellipse parfaite. Son ellipse précède avec le temps.
En utilisant les lois de la gravité de Newton, nous pourrions prendre en compte l'influence de toutes les planètes connues (y compris Neptune). Ayant fait tout cela, on trouverait qu'il subsiste un léger décalage entre le prédit et l'observé: une précession de 43 par siècle, soit 0,012 degré par siècle. Mais ce n'était pas un accident.
Quelle est l'explication cette fois? Cette nouvelle masse invisible est-elle liée à l'intérieur de Mercure? Ou le vrai problème s'est-il glissé dans la loi de la gravité? Une recherche approfondie d'une réponse à cette question a conduit à une nouvelle planète théorique Vulcain, qui aurait dû être plus proche du Soleil que toutes les autres. Mais aucun Vulcain n'a été trouvé. La solution est venue en 1915 quand Einstein a exposé sa théorie de la relativité générale.
Passons maintenant aux années 1970 - jusqu'à un certain nombre d'observations scientifiques de Vera Rubin. Nous observons les galaxies individuelles - en particulier, les galaxies bord-sur - et mesurons leurs profils de vitesse. Nous regardons un côté de la galaxie et voyons qu'elle se déplace vers nous (par décalage bleu), nous regardons l'autre - elle s'éloigne de nous (par décalage vers le rouge), et c'est ainsi que nous déterminons la rotation de la galaxie. Qu'attend-on d'eux? Comme notre système solaire, les étoiles internes doivent tourner plus vite, et plus le centre est éloigné, plus la vitesse doit être basse. Mais ce n'est pas ce que nous trouvons.
Au lieu de cela, la vitesse de rotation de chaque galaxie individuelle reste constante quelle que soit la distance. Pourquoi? Là encore, il y a deux options: soit les lois de la gravité doivent être améliorées, soit il faut supposer l'existence d'un excès de masse invisible.
MOND a été remarqué pour la première fois par Moti Milgrom en 1981, qui a observé que si nous devions changer la loi de la gravité à de très petites accélérations - quelque chose comme des fractions de nanomètre par seconde au carré - nous pourrions expliquer ces courbes de rotation. De plus, la même modification, unique et cohérente, pourrait expliquer la rotation de toutes les galaxies, de la plus petite à la plus grande. MOND le fait toujours et le fait bien.
La matière noire, d'un autre côté, suggère qu'en plus des particules normales du modèle standard et de la matière ordinaire des «protons, neutrons et électrons» qui composent presque tout ce que nous savons, il existe un nouveau type de matière. Pour expliquer le phénomène de rotation, il a été proposé d'introduire un grand halo de matière qui n'interagit pas avec la lumière, mais ne colle pas ensemble, et n'interagit pas avec la matière ordinaire, sauf gravitationnellement. C'était l'idée de la matière noire.
La matière noire peut expliquer ces courbes de rotation, mais elle ne le fait pas aussi bien que MOND. Les simulations numériques des halos qui produisent même les modèles de matière noire les plus simples ne correspondent pas aux observations; les halos sont trop «renversés» au centre et trop «pelucheux» à la périphérie. (D'un point de vue technique, ils semblent plus isothermes que prévu). En bref, MOND était le leader incontesté au début.
Mais là, plus loin, tout l'Univers a commencé. Lorsque vous proposez une nouvelle théorie pour remplacer l'ancienne - comment la relativité générale a remplacé les lois de Newton - votre théorie doit satisfaire à trois principes:
1. Il doit reproduire le plein succès de la théorie principale précédente.
2. Il doit expliquer avec succès le ou les nouveaux phénomènes pour lesquels il a été créé.
3. Et elle doit faire de nouvelles prédictions qui seront vérifiées, confirmées ou réfutées expérimentalement ou par observation, afin qu'elles soient uniques à la nouvelle théorie.
Nous parlons de tous les succès de la théorie directrice précédente, et ils sont nombreux.
Il y a une courbure gravitationnelle de la lumière des étoiles par masse, une lentille gravitationnelle forte et faible. Il y a l'effet Shapiro. Il y a une dilatation gravitationnelle du temps et un redshift gravitationnel. Il y a le concept du Big Bang et le concept d'un univers en expansion. Il y a des mouvements de galaxies au sein des amas et un amas des galaxies elles-mêmes aux plus grandes échelles.
Dans le cas de tous ces exemples - tous -, MOND subit une défaite écrasante, soit en n'offrant aucune prédiction, soit en faisant des prédictions qui sont frustrantes et incompatibles avec les données disponibles. Vous pouvez souligner à juste titre que MOND n'a jamais été conçu pour être une théorie complète, mais plutôt une description d'un phénomène qui pourrait conduire à une théorie plus complète. Beaucoup de gens travaillent sur une extension MOND qui pourrait expliquer ces observations, mais en vain.
Mais si vous continuez la loi de gravité d'Einstein et ajoutez simplement un nouvel ingrédient, la matière noire froide, vous pouvez tout expliquer, y compris de nouvelles nuances inhabituelles.
Vous pouvez expliquer le modèle de regroupement observé dans la structure à grande échelle de l'univers si vous avez cinq fois plus de matière noire que de matière ordinaire.
Et ce qui est encore plus impressionnant, c'est que vous pouvez faire une toute nouvelle prédiction: lorsque deux amas de galaxies entrent en collision, le gaz qu'ils contiennent se réchauffe, ralentit et émet des rayons X, tandis que la masse que nous voyons avec la lentille gravitationnelle suit la matière noire et est remplacée par les rayons X. Cette nouvelle prédiction a été confirmée expérimentalement et tient depuis dix ans, fournissant une confirmation indirecte de l'existence de la matière noire.
MOND a l'avantage d'expliquer mieux les courbes de rotation galactique que la matière noire. Mais ce n'est pas une théorie physique et cela ne correspond pas à l'ensemble des observations que nous avons. La matière noire existe - du moins en théorie - car elle nous donne le même univers, cohérent, sans aucune modification.
Mais les revers actuels de MOND, cosmologiques, le placent sous la matière noire. Qu'il reproduise tous les succès de la relativité générale, explique de nouveaux phénomènes, fasse des prédictions qui peuvent être confirmées - et les scientifiques se convertiront sans aucun doute à une nouvelle foi. Après tout, ce sont de bons scientifiques.