Les scientifiques recherchent la « matière noire » – une substance inconnue et invisible qui constituerait la grande majorité de la matière dans l'univers – depuis près d'un siècle. La raison de cette persistance est que la matière noire est nécessaire pour expliquer le fait que les galaxies ne semblent pas obéir aux lois fondamentales de la physique. Cependant, les recherches sur la matière noire sont restées infructueuses.

Mais il existe d'autres approches pour comprendre pourquoi les galaxies se comportent si étrangement. Notre nouvelle étude, publié dans le Journal de cosmologie et de physique des astroparticules , montre que, en peaufinant les lois de la gravité sur les énormes échelles des galaxies, nous n'avons peut-être pas besoin de matière noire après tout.

L'astronome suisse Fritz Zwicky a découvert dans les années 1930 que les vitesses dans les amas de galaxies étaient trop élevées pour tenir compte de la quantité de matière que nous pouvions voir. Un phénomène similaire a été décrit par plusieurs groupes d'astronomes, comme Vera Rubin et Kent Ford, quand ils ont étudié le mouvement des étoiles aux confins de la galaxie d'Andromède.

On s'attendait à ce que les vitesses des étoiles loin de son centre diminuent, car ils subissent moins de force gravitationnelle. C'est parce que, selon la deuxième loi du mouvement de Newton, l'attraction gravitationnelle sur la matière en orbite peut être assimilée à un produit de sa masse et de son accélération (qui est liée à la vitesse).

Cependant, les mesures ont montré qu'il n'y avait pas une telle diminution des vitesses avec la distance. Cela a conduit les scientifiques à croire qu'il devait y avoir de la matière invisible là-bas pour créer une attraction gravitationnelle plus forte et un mouvement stellaire plus rapide. Au cours des dernières décennies, d'innombrables autres sondes de systèmes gravitationnels à de très grandes échelles de longueur ont indiqué le même problème.

Au-delà de la matière noire

Le mystère de ce qu'est réellement la matière noire reste le défi ultime de la physique fondamentale moderne. La question centrale est de savoir s'il s'agit bien d'une source de masse manquante, comme un nouveau type de matière, ou si la loi de la gravitation est simplement différente à des échelles de longueur gigantesques.

Alors que la première option semble très tentante, nous n'avons pas encore trouvé de matière noire. Aussi, alors que les lois de la gravité sont bien testées dans le système solaire, il faut être prudent en extrapolant cela à des échelles qui sont au moins un milliard de fois plus grandes.

Une tentative bien connue pour se débarrasser du besoin de matière noire est la dynamique newtonienne modifiée (MOND), ce qui suggère que la loi de la gravité de Newton devient irrégulière lorsque l'attraction gravitationnelle est très faible - comme c'est le cas dans les régions externes de la galaxie. Mais cette théorie, bien que réussi à bien des égards, n'a pas passé les mêmes tests rigoureux que notre modèle standard de cosmologie, qui comprend la matière noire.

Le problème principal est que MOND ne peut pas expliquer le problème de masse manquante dans les galaxies et les amas de galaxies en même temps. Un autre argument très fort contre MOND est basé sur l'observation d'amas de galaxies en collision, où les étoiles de chaque galaxie se croisent, mais les nuages ​​de gaz se collent et restent en arrière. Un exemple célèbre est le Bullet Cluster, qui se compose de deux de ces clusters en collision. Les observations suggèrent que la matière noire suit les étoiles dans ces événements, qui ont une masse totale inférieure à celle du nuage de gaz. MOND ne peut pas expliquer pourquoi.

Bulles de l'espace

Nous avons entrepris de modifier les lois de la gravité d'une manière différente. Notre approche suppose qu'un phénomène connu sous le nom de dépistage Vainshtein est à l'œuvre. Cela suggère que chaque suffisamment dense, objet compact dans l'espace génère une sphère invisible autour de lui qui détermine comment les lois de la physique se comportent avec la distance croissante. Cette sphère est un concept théorique pour nous aider à comprendre la différence entre les petites et les grandes échelles, plutôt qu'une véritable membrane physique.

Selon notre théorie, à l'intérieur de cette bulle, les lois de la gravité newtonienne ordinaire que nous voyons dans notre système solaire s'appliquent aux objets interagissant avec le corps massif au centre. En dehors de la bulle, la théorie suggère que l'attraction gravitationnelle par l'objet central peut être considérablement améliorée - même s'il n'y a pas plus de masse présente.

La taille de la bulle serait proportionnelle à la masse de l'objet central. Si, par exemple, dans une galaxie, cette sphère a un rayon de quelques milliers d'années-lumière - une distance typique à laquelle des signes de matière noire sont observés - la sphère correspondante de notre soleil aurait un rayon de 50.000 unités astronomiques (une telle unité est la distance entre le soleil et la Terre). Cependant, le bord du système solaire n'est qu'à 50 unités astronomiques. En d'autres termes, il n'y a pas d'objets que nous puissions observer aussi loin du soleil pour tester si le soleil a une attraction gravitationnelle différente sur eux que sur Terre. Seule l'observation de systèmes entiers très éloignés nous permet de le faire.

L'effet surprenant est que la taille de la bulle newtonienne augmente avec la masse enfermée d'une manière particulière. Cela signifie que la loi de la gravité change à différentes échelles de longueur dans les galaxies et les amas de galaxies respectivement et peut donc expliquer la matière noire apparente dans les deux systèmes simultanément. Ce n'est pas possible avec MOND. Par ailleurs, il est cohérent avec l'observation du Bullet Cluster. C'est parce que les nuages ​​de gaz laissés dans la collision ne sont pas assez compacts pour générer une sphère autour d'eux, ce qui signifie que la matière noire apparente n'est notable qu'autour des étoiles les plus compactes. MOND ne fait pas la distinction entre les étoiles et les nuages ​​de gaz.

A notre grande surprise, notre théorie nous a permis d'expliquer les vitesses stellaires dans les galaxies beaucoup mieux qu'avec la relativité générale d'Einstein, qui permet à la matière noire d'exister. Il se peut donc qu'il y ait en fait moins de matière noire mystérieuse que nous ne le pensons – et peut-être même aucune.

Nous prévoyons d'approfondir l'étude de ce phénomène intéressant. Il pourrait également être responsable de la grande variabilité du mouvement galactique, dont nous recueillons de plus en plus de preuves.

Tout corps massif déforme l'espace et le temps qui l'entoure, selon la relativité générale. Par conséquent, les rayons lumineux font un tour apparent autour de l'objet plutôt que de se déplacer en ligne droite - un effet appelé lentille gravitationnelle. Un test extrêmement intéressant de notre découverte serait l'observation d'une déviation précise de la lumière gravitationnelle par des galaxies individuelles, ce qui est une mesure difficile. Notre théorie prédit une déviation de la lumière plus forte pour les galaxies très compactes donc, passionnant, elle pourrait un jour être falsifiée ou confirmée par une telle mesure.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.