L’hypothèse contre la matière noire

Une nouvelle hypothèse de la gravitation supprime la matière noire tandis que de nouvelles découvertes astrophysiques défient le besoin de particules mystérieuses invisibles dans les galaxies.


Une nouvelle hypothèse de la gravitation supprime la matière noire tandis que de nouvelles découvertes astrophysiques défient le besoin de particules mystérieuses invisibles dans les galaxies.

 

Traduction d’un article de Quanta Magazine par Natalie Wolchover.

Depuis 80 ans, les scientifiques se posent des questions sur la manière dont les galaxies et les autres structures cosmiques gravitent autour de quelque chose qu’on ne peut pas voir. Cette hypothétique semble surpasser la matière visible par un facteur de 5 pour 1 en suggérant que nous connaissons très peu notre propre univers. Des milliers de physiciens cherchent actuellement ces particules mystérieuses.

Mais l’hypothèse de la matière noire se base sur le fait que les scientifiques connaissent la manière dont la matière se déplace dans l’univers. Depuis quelques semaines, une série de développements ravive l’argument que la matière noire n’existe pas. Dans cette vision, on n’a pas besoin de matière manquante pour expliquer les mouvements des corps célestes, car sur des échelles cosmiques, la fonctionne différemment par rapport aux prédictions d’Isaac Newton et d’Albert Einstein.

Le dernier essai pour supprimer la matière noire nous vient d’, un physicien théoricien de l’université d’Amsterdam qui est connu pour ses idées audacieuses et visionnaires même si elles sont imparfaites.1 Dans un papier volumineux de 51 pages publié le 7 novembre 2016, Verlinde considère la gravitation comme un sous-produit des interactions quantiques et il suggère que la gravitation supplémentaire, attribuée à la matière noire, est un effet de l’énergie noire qui est l’énergie qui se diffuse sur la structure de l’espace-temps.2 Au lieu d’une foule de particules mystérieuses, la matière noire est une interaction entre la matière ordinaire et l’énergie noire selon Verlinde.

Pour démontrer sa vision, Verlinde a adopté une perspective radicale sur l’origine de la gravitation qui est actuellement en vogue chez les physiciens théoriciens. Einstein a défini la gravitation comme l’effet de la courbure de l’espace-temps qui est créé par la présence de matière. Selon la nouvelle approche, la gravitation est un phénomène émergent. L’espace-temps et la matière à l’intérieur sont traités comme un hologramme qui émerge d’un réseau sous-jacent de réseaux de bits quantiques (des qubits) de la même manière que l’environnement en 3D d’un jeu vidéo est codé dans les bits classiques d’une puce de silicium. En travaillant dans ce cadre, Verlinde considère l’énergie noire comme une propriété de ces qubits sous-jacents qui encodent l’univers. Sur de grandes échelles dans l’hologramme, l’énergie noire interagit avec la matière pour créer l’illusion de la matière noire.

Dans ses calculs, Verlinde a redécouvert les équations de la (). Cette théorie de 30 ans change de manière ad hoc la fameuse loi de la gravitation sur le carré inverse dans les théories d’Einstein et de Newton pour expliquer les phénomènes attribués à la matière noire. Cette correction imparfaite intrigue les scientifiques. Je propose une manière de comprendre le succès de MOND avec une perspective plus fondamentale selon Verlinde.

De nombreux experts considèrent que le papier de Verlinde est intéressant, mais il est difficile à comprendre. Il faudra déterminer si ses arguments résistent à l’analyse, mais le timing est particulièrement bien choisi. Dans une nouvelle analyse de galaxies publiée dans la revue Physical Review Letters, 3 astrophysiciens menés par Stacy McGaugh de la Case Western Reserve University à Cleveland, ont renforcé la vision de MOND contre la matière noire.3

Le mouvement des galaxies contre la matière noire

Les chercheurs ont analysé un ensemble de 153 galaxies et ils ont comparé la vitesse de rotation de la matière visible de chaque galaxie sur une distance donnée à partir du centre galactique avec la quantité de matière visible qui est contenue dans le rayon. Et de manière remarquable, les 2 variables étaient très proches dans toutes les galaxies par une loi universelle surnommée Radial Acceleration Relation. Et cela donne du sens au paradigme de MOND puisque cela suggère que la matière visible est la source exclusive qui contrôle la rotation de la galaxie (même si la gravitation ne prend pas la forme prédite par Newton et Einstein). Avec une relation aussi étroite entre la gravitation « ressentie » par la matière visible et la gravitation « fournie » par la matière visible, il semble qu’il n’y ait plus de place pour la matière noire.

Et même si les partisans de la matière noire sont montés au créneau pour défendre leur vision, un troisième défi est apparu. Dans une nouvelle recherche qui a été présentée dans les séminaires et qui est en train d’être évalué pour la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, une équipe d’astronomes des Pays-Bas ont mené ce qu’ils appellent le premier test de la théorie de Verlinde. Ils ont comparé les formules de Verlinde avec des données provenant de 30 000 galaxies. Et Margot Brouwer de la Leiden University et ses collègues aux Pays-Bas ont découvert que Verlinde a prédit correctement la déformation gravitationnelle (l’effet de lentille) de la lumière dans les galaxies. Et cet effet de lentille est également attribué à la matière noire. Et c’est quelque chose qu’on attendait, puisque le père de la , l’astrophysicien israélien Mordehai Milgrom, a démontré plusieurs années auparavant que MOND explique l’effet de lentille. Mais la théorie de Verlinde devra réussir à reproduire le phénomène de la matière noire dans les cas où l’ancien MOND a échoué à le faire.

Kathryn Zurek, une théoricienne en matière noire au Lawrence Berkeley National Laboratory, a déclaré que la proposition de Verlinde démontre que la théorie de MOND pourrait être correcte après tout. L’un des défis avec la gravitation modifiée est qu’il n’y a pas de théorie qui explique ce comportement. Si le papier de Verlinde explique ce comportement, alors cela permettrait à MOND de revenir du cimetière des oubliés.

Le nouveau MOND

Dans les théories de Newton et d’Einstein, l’attraction gravitationnelle d’un objet massif diminue proportionnellement au carré de la distance. Cela signifie que les étoiles, qui orbitent autour d’une galaxie, devraient subir moins l’effet gravitationnel et que leur rotation doit être donc plus lente. Et les vélocités des étoiles baissent, comme prévu, par la loi du carré inverse dans l’intérieur de la galaxie, mais au lieu de continuer à baisser à mesure qu’elles sont éloignées du centre, leurs vélocités augmentent de nouveau à un certain point. Cet aplatissement de la vitesse de rotation, découvert par l’astronome Vera Rubin dans les années 1970, est largement considéré comme la meilleure preuve de l’existence de la matière noire. Le paradigme est que des nuages de matière noire ou des halos entourent les galaxies et donne une gravitation supplémentaire à leurs étoiles. Et la recherche pour les particules de matière a proliféré avec les WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles) ou les axions, mais pour le moment, les expériences n’ont rien trouvé.

Dans le même temps, dans les années 1970 et 1980, certains chercheurs incluant Milgrom ont pris un chemin différent. De nombreuses tentatives pour modifier la gravitation ont été écartées, mais Milgrom a trouvé une formule gagnante. Quand l’accélération gravitationnelle d’une étoile baisse à un certain niveau, plus précisément à 0.00000000012 mètre par seconde ou 100 milliards de fois moins que ce que nous ressentons sur la surface terrestre, Milgrom postule que la gravitation bascule d’une loi sur le carré de l’inverse à quelque chose qui est une loi sur la distance de l’inverse. C’est comme une échelle « magique » selon McGaugh. Au-dessus de ce niveau, tout est normal et newtonien. Mais en dessous, les choses deviennent étranges. Mais la théorie ne précise pas les conditions de changement.

Mais les physiciens n’aiment pas la « magie ». D’autres observations cosmologiques semblent plus faciles à expliquer avec la matière noire que l’approche MOND et cette dernière a disparu progressivement. La théorie de Verlinde ravive MOND en révélant la méthode derrière la magie. Verlinde, qui est surtout connu pour ses calculs sur la théorie des cordes, a proposé une version très simplifiée de cette idée en 2010. Il a écrit un papier célèbre dans lequel il déclarait que la gravitation n’existait pas.4 En rassemblant plusieurs concepts et conjectures avant-gardistes de la physique, Verlinde a conclu que la gravitation est un effet thermodynamique émergent qui est lié à l’entropie. À cette époque comme maintenant, les physiciens ne savaient pas quoi faire de ce papier même s’il a inspiré des discussions riches et animées.

Une nouvelle manière de voir l’espace-temps

Verlinde avait tort sur l’approche particulière de la , mais elle se basait sur la même intuition qui a incité d’autres physiciens à développer la description holographique moderne de la gravitation émergente et de l’espace-temps et c’est une approche que Verlinde a intégrée dans son travail.

Une illustration pour comparer l'hypothèse de matière noire et celle de MOND - Crédit : Lucy Reading-Ikkanda (http://www.lucyreading.com/)

Une illustration pour comparer l’hypothèse de matière noire et celle de MOND – Crédit : Lucy Reading-Ikkanda (http://www.lucyreading.com/)

Dans ce cadre de travail, la courbure et toutes les choses de l’espace-temps sont une représentation géométrique d’une information quantique à l’état pur qui est des données stockées dans des qubits. Contrairement aux bits classiques, les qubits peuvent exister simultanément en 2 étapes (0 et 1) avec des niveaux variables de probabilité et ils deviennent intriqués l’un avec l’autre de sorte que l’état quantique de l’un détermine l’état de l’autre et vice versa indépendamment de leur distance. Les physiciens ont commencé à travailler sur les règles par lesquelles la structure de l’intrication des qubits peut être traduite mathématiquement sur un espace-temps géométrique. Un ensemble de qubits intrigués avec leurs voisins peuvent encoder l’espace plat tandis que des structures d’intrication plus complexes donnent naissance aux particules de matière telles que les quarks et les électrons dont les masses provoquent la courbure de l’espace en produisant la gravitation. L’approche holographique est la meilleure manière de comprendre la gravitation quantique selon Mark Van Raamsdonk, un physicien de l’University of British Columbia qui a fait des travaux importants sur le sujet.

Ces traductions mathématiques concernent des univers holographiques qui possèdent une géométrie de l’espace-temps qu’on connait comme l’espace anti-de Sitter. Mais dans les univers comme le nôtre, qui possèdent des géométries Sitter, il est difficile d’appliquer ces traductions mathématiques. Et dans son nouveau papier, Verlinde estime que c’est exactement cette propriété de Sitter de notre espace-temps qui donne l’illusion de la matière noire.

L’espace-temps de Sitter comme le nôtre s’étire quand vous regardez sur de longues distances. Pour expliquer ce phénomène, l’espace-temps doit être infusé avec une petite énergie en arrière-plan qu’on connait comme l’énergie noire qui est en train de fractionner l’espace-temps. Verlinde modélise l’énergie noire comme une énergie thermique comme si notre univers était chauffé vers un état excité. En revanche, un espace AdS est un système dans un état non excité. Verlinde associe cette énergie thermique avec l’intrication de longue portée entre des qubits sous-jacents comme s’ils étaient déstabilisés en provoquant l’éloignement des paires intriquées. Verlinde estime que cette intrication de longue portée est déstabilisée par la présence de la matière qui supprime l’énergie noire dans une région de l’espace-temps. Mais l’énergie noire tente de revenir dans cette région en exerçant un genre de réponse élastique sur la matière qui est équivalente à l’attraction gravitationnelle.

Et étant donné la nature de cette intrication à longue portée, la réponse élastique devient plus importante dans de grands volumes de l’espace. Verlinde a calculé que cela provoquerait une déviation dans la courbure des galaxies par rapport à la loi du carré inverse de Newton exactement comme dans l’échelle de l’accélération « magique » qui a été suggérée par Milgrom dans sa première théorie MOND.

Van Raamsdonk considère l’idée de Verlinde comme une direction importante. Mais il ajoute qu’il est trop tôt pour dire si toutes les choses dans le papier allant de la théorie de l’information quantique, la thermodynamique, la physique de la matière condensée, l’holographie et l’ peuvent tenir ensemble. Dans tous les cas, l’approche est intéressante et elle pourrait nous donner des pistes.

De nombreux défis pour la gravitation émergente

Un problème selon Brian Swingle de l’université d’Harvard, qui travaille aussi sur l’holographie, est que Verlinde ne possède pas un modèle concret d’univers comme celui que les chercheurs peuvent construire dans un espace AdS. Et cela peut donner de la place à des suppositions non prouvées. Notre problème est que nous faisons des progrès, mais dans des univers AdS qui n’ont rien à avoir avec le nôtre. Et donc, j’espère que ce nouveau papier fournira des indices supplémentaires pour résoudre les problèmes qui concernent notre univers.

Verlinde pourrait attirer beaucoup d’attention de la même manière que son papier de 2010 sur la gravitation et l’entropie ou il pourrait se tromper sur toute la ligne. La question est de déterminer si sa nouvelle théorie MOND peut reproduire le phénomène que l’ancien MOND n’a pas réussi à résoudre et qui a mené à l’existence de la matière noire.

Un de ces phénomènes est l’Amas du Boulet, un amas de galaxies qui est le résultat d’une collision entre 2 amas de galaxies. La matière visible des 2 amas est entrée en collision, mais la lentille gravitationnelle suggère qu’une grande quantité de matière noire, qui n’interagit pas avec la matière visible, a été transférée sur la zone du crash. Certains physiciens considèrent cet amas de galaxies comme une preuve indiscutable de la matière noire. Mais Verlinde estime que sa théorie permettra d’expliquer les observations sur l’Amas du Boulet. Il estime que l’effet gravitationnel de l’énergie noire est intégré dans l’espace-temps et il est moins déformable que la matière ce qui aurait permis aux 2 amas de se séparer pendant la collision.

Mais le couronnement de la théorie de Verlinde serait de prendre en compte les empreintes supposées de la matière noire dans le fond diffus cosmologique, l’ancienne lumière qui offre un instantané d’un univers enfant. Le FMB révèle la manière dont la matière s’est contractée à cause de son attraction gravitationnelle et qu’elle s’est étendu à cause des collisions en produisant une série de pics et de creux dans le FMB. Mais comme la matière noire n’interagit pas, alors la matière aurait dû se contracter continuellement sans jamais s’étendre et cela devrait moduler les amplitudes des pics du CMB exactement de la manière qui est observé par les scientifiques. L’une des plus grandes attaques contre l’ancien MOND a été son incapacité à prédire cette modulation et avoir une correspondance avec les amplitudes dans les pics. Verlinde estime que sa version va fonctionner, car la matière et l’effet gravitationnel de l’énergie noire peuvent se séparer et afficher des comportements différents. Mais il admet qu’il ne s’est pas encore plongé dans ces calculs.

La matière noire explique tout

Mais pendant que Verlinde tente de surmonter tous ces défis, les partisans de la matière noire doivent monter au créneau pour expliquer les récentes découvertes de McGaugh et de ses collègues sur la relation universelle entre les vitesses de rotation des galaxies et la matière visible. En octobre 2016, en répondant au papier à McGaugh et ses collègues, 2 équipes indépendantes d’astrophysiciens ont argué que la matière noire explique ces observations.5 6 Selon ces chercheurs, la quantité de matière noire dans le halo de la galaxie aurait pu déterminer précisément la quantité de matière visible dans la galaxie quand elle s’est formée. Dans ces cas, la vitesse de rotation des galaxies, même si elle se base par la combinaison de matière noire et visible, va se corréler exactement que ce soit avec la matière noire ou visible (puisque les 2 ne sont pas indépendants). Cependant, les simulations informatiques de la formation des galaxies n’indiquent pas que la matière visible et noire du contenu des galaxies vont toujours correspondre. Les experts sont en train de peaufiner ces simulations, mais Arthur Kosowsky de l’université de Pittsburgh, l’un des chercheurs qui travaillent sur ces simulations, estime qu’il est trop tôt pour dire si les simulations vont correspondre avec les 153 exemples sur la loi universelle fournie par McGaugh et ses collègues. S’il n’y a pas de correspondance, alors la matière noire risque de prendre un sacré coup.

Mais même si les simulations correspondent avec les données, McGaugh considère que c’est une coïncidence invraisemblable que la matière noire et la matière visible vont « conspirer » pour correspondre exactement aux prédictions de MOND dans chaque région de l’espace dans chaque galaxie. Si quelqu’un vient vous voir et vous dit que le système solaire ne fonctionne pas sur une loi du carré inverse, car plutôt sur une loi sur le cube inverse, mais qu’en fait, la matière noire l’a arrangé pour qu’elle ressemble à la loi du carré inverse, alors vous diriez que cette personne est folle, mais c’est exactement ce qu’on nous dit pour prouver l’existence de la matière noire.

Mais les physiciens s’accordent sur le consensus de la matière noire avec de nombreuses preuves indirectes. Mais Zurek averti sur le risque que les physiciens ne se trouvent pas simplement sur un train en marche. Même si la matière noire explique chaque chose, vous devez toujours vérifier s’il n’y a pas quelque chose d’autre qui pourrait entrer en action.

Erik Verlinde explique comment la gravitation émergente et l’énergie noire explique la matière noire :

Sources

2.
Erik P. V. Emergent Gravity and the Dark Universe. arXiv. https://arxiv.org/abs/1611.02269. Published November 7, 2016. Accessed December 3, 2016.
3.
McGaugh SS, Lelli F, Schombert JM. Radial Acceleration Relation in Rotationally Supported Galaxies. Phys Rev Lett. 2016;117(20):201101-. http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.117.201101.
4.
Erik P. V. On the Origin of Gravity and the Laws of Newton. arXiv. https://arxiv.org/abs/1001.0785. Published January 6, 2010. Accessed December 3, 2016.
5.
B.W. K, J.W. W. La Fin du MOND ? Λ CDM is Fully Consistent with SPARC Acceleration Law. arXiv. https://arxiv.org/abs/1610.06183. Published October 19, 2016. Accessed December 3, 2016.
6.
Aaron D. L, Alejandro B-L, Matthieu S, et al. The Mass-Discrepancy Acceleration Relation: a Natural Outcome of Galaxy Formation in CDM halos. arXiv. https://arxiv.org/abs/1610.07663. Accessed December 3, 2016.
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Jacqueline Charpentier

Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

2 réponses

  1. Depinoir dit :

    Pourquoi chercher bien loin ce que la relativité explique simplement avec l’horizon de Rindler ? Voir le livre « La matière noire : substance exotique ou effet relativiste » publié en 2015 chez Désiris.

  2. taalf dit :

    À voir à ce propos : le modèle Janus du cosmologue controversé Jean-Pierre Petit.

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