Depuis de nombreuses années maintenant, les astronomes et les physiciens ont été en conflit. La mystérieuse matière noire que nous observons au plus profond de l'Univers est-elle réelle, ou ce que nous voyons est-il le résultat de subtiles déviations des lois de la gravité telles que nous les connaissons ? En 2016, Le physicien néerlandais Erik Verlinde a proposé une théorie du second type :la gravité émergente. Nouvelle recherche, Publié dans Astronomie &Astrophysique cette semaine, repousse les limites des observations de la matière noire vers les régions extérieures inconnues des galaxies, et, ce faisant, réévalue plusieurs modèles de matière noire et théories alternatives de la gravité. Mesures de la gravité de 259, 000 galaxies isolées montrent une relation très étroite entre les contributions de la matière noire et celles de la matière ordinaire, comme prédit dans la théorie de la gravité émergente de Verlinde et un modèle alternatif appelé Dynamique Newtonienne Modifiée. Cependant, les résultats semblent également concorder avec une simulation informatique de l'Univers qui suppose que la matière noire est une « vraie substance ».

La nouvelle recherche a été menée par une équipe internationale d'astronomes, dirigé par Margot Brouwer (RUG et UvA). D'autres rôles importants ont été joués par Kyle Oman (RUG et Université de Durham) et Edwin Valentijn (RUG). En 2016, Brouwer a également effectué un premier test des idées de Verlinde; cette fois, Verlinde lui-même a également rejoint l'équipe de recherche.

Matière ou gravité ?

Jusque là, la matière noire n'a jamais été observée directement, d'où son nom. Ce que les astronomes observent dans le ciel nocturne, ce sont les conséquences de la matière potentiellement présente :courbure de la lumière des étoiles, étoiles qui bougent plus vite que prévu, et même des effets sur le mouvement de galaxies entières. Sans aucun doute, tous ces effets sont causés par la gravité, mais la question est :observons-nous vraiment une gravité supplémentaire, causé par la matière invisible, ou les lois de la gravité elles-mêmes sont-elles la chose que nous n'avons pas encore entièrement comprise ?

Pour répondre à cette question, la nouvelle recherche utilise une méthode similaire à celle utilisée dans le test original en 2016. Brouwer et ses collègues utilisent une série continue de mesures photographiques qui a commencé il y a dix ans :le KiloDegree Survey (KiDS), réalisée à l'aide du télescope de sondage VLT de l'ESO au Chili. Dans ces observations, on mesure comment la lumière des étoiles provenant de galaxies lointaines est courbée par la gravité sur son chemin vers nos télescopes. Alors qu'en 2016, les mesures de ces «effets de lentille» ne couvraient qu'une zone d'environ 180 degrés carrés dans le ciel nocturne, entre-temps, cela a été étendu à environ 1000 degrés carrés, permettant aux chercheurs de mesurer la distribution de la gravité dans environ un million de galaxies différentes.

Tests comparatifs

Brouwer et ses collègues ont sélectionné plus de 259, 000 galaxies isolées, pour laquelle ils ont pu mesurer ce que l'on appelle la « relation d'accélération radiale » (RAR). Ce RAR compare la quantité de gravité attendue sur la base de la matière visible dans la galaxie, à la quantité de gravité réellement présente, en d'autres termes :le résultat montre combien de gravité « extra » il y a, en plus de celle due à la matière normale. Jusqu'à maintenant, la quantité de gravité supplémentaire n'avait été déterminée que dans les régions externes des galaxies en observant les mouvements des étoiles, et dans une région environ cinq fois plus grande en mesurant la vitesse de rotation du gaz froid. En utilisant les effets de lentille de la gravité, les chercheurs étaient désormais en mesure de déterminer le RAR à des forces gravitationnelles cent fois plus faibles, leur permettant de pénétrer beaucoup plus profondément dans les régions éloignées des galaxies individuelles.

Cela a permis de mesurer la gravité supplémentaire avec une extrême précision - mais cette gravité est-elle le résultat de la matière noire invisible, ou devons-nous améliorer notre compréhension de la gravité elle-même ? L'auteur Kyle Oman indique que l'hypothèse de « trucs réels » semble au moins partiellement fonctionner :« Dans notre recherche, nous comparons les mesures à quatre modèles théoriques différents :deux qui supposent l'existence de la matière noire et forment la base des simulations informatiques de notre univers, et deux qui modifient les lois de la gravité :le modèle de gravité émergente d'Erik Verlinde et la soi-disant « dynamique newtonienne modifiée » ou MOND. L'une des deux simulations de matière noire, SOURIS, fait des prédictions qui correspondent très bien à nos mesures. Nous avons été surpris que l'autre simulation, BAHAMAS, conduit à des prédictions très différentes. Que les prédictions des deux modèles diffèrent du tout était déjà surprenant, puisque les modèles sont si similaires. Mais en plus, nous nous serions attendus à ce que si une différence apparaissait, BAHAMAS allait être le meilleur. BAHAMAS est un modèle beaucoup plus détaillé que MICE, se rapprochant de notre compréhension actuelle de la formation des galaxies dans un univers avec de la matière noire beaucoup plus proche. Toujours, MICE fonctionne mieux si nous comparons ses prédictions à nos mesures. À l'avenir, sur la base de nos constatations, nous voulons approfondir nos recherches sur les causes des différences entre les simulations."

Jeunes et vieilles galaxies

Ainsi il semble que, au moins un modèle de matière noire semble fonctionner. Cependant, les modèles alternatifs de gravité prédisent également le RAR mesuré. Une impasse, semble-t-il, alors comment savoir quel modèle est correct ? Margot Brouwer, qui a dirigé l'équipe de recherche, poursuit :« Sur la base de nos tests, notre conclusion initiale était que les deux modèles de gravité alternatifs et MICE correspondaient assez bien aux observations. Cependant, la partie la plus excitante était encore à venir :parce que nous avions accès à plus de 259, 000 galaxies, nous pourrions les diviser en plusieurs types - relativement jeunes, galaxies spirales bleues versus relativement anciennes, galaxies elliptiques rouges. » Ces deux types de galaxies se présentent de manières très différentes :les galaxies elliptiques rouges se forment lorsque différentes galaxies interagissent, par exemple lorsque deux galaxies spirales bleues se croisent étroitement, ou même se heurter. Par conséquent, l'attente au sein de la théorie des particules de la matière noire est que le rapport entre la matière ordinaire et la matière noire dans les différents types de galaxies peut varier. En revanche, des modèles tels que la théorie de Verlinde et MOND n'utilisent pas de particules de matière noire, et donc prédire un rapport fixe entre la gravité attendue et mesurée dans les deux types de galaxies, c'est-à-dire indépendant de leur type. Brouwer :"Nous avons découvert que les RAR pour les deux types de galaxies différaient considérablement. Ce serait un indice fort vers l'existence de la matière noire en tant que particule."

Cependant, il y a un bémol :le gaz. De nombreuses galaxies sont probablement entourées d'un nuage diffus de gaz chaud, ce qui est très difficile à observer. S'il n'y avait pratiquement pas de gaz autour des jeunes galaxies spirales bleues, mais que les vieilles galaxies elliptiques rouges vivent dans un grand nuage de gaz - d'à peu près la même masse que les étoiles elles-mêmes - alors cela pourrait expliquer la différence de RAR entre les deux types. Pour porter un jugement définitif sur la différence mesurée, il faudrait donc aussi mesurer les quantités de gaz diffus — et c'est justement ce qui n'est pas possible avec les télescopes KiDS. D'autres mesures ont été faites pour un petit groupe d'une centaine de galaxies, et ces mesures ont en effet trouvé plus de gaz autour des galaxies elliptiques, mais on ne sait toujours pas dans quelle mesure ces mesures sont représentatives du 259, 000 galaxies qui ont été étudiées dans la recherche actuelle.

Matière noire pour la victoire ?

S'il s'avère que le gaz supplémentaire ne peut pas expliquer la différence entre les deux types de galaxies, alors les résultats des mesures sont plus faciles à comprendre en termes de particules de matière noire qu'en termes de modèles alternatifs de gravité. Mais même alors, l'affaire n'est pas encore réglée. Bien que les différences mesurées soient difficiles à expliquer en utilisant MOND, Erik Verlinde voit toujours une issue pour son propre modèle. Verlinde :« Mon modèle actuel ne s'applique qu'au statique, isolé, galaxies sphériques, on ne peut donc pas s'attendre à distinguer les différents types de galaxies. Je considère ces résultats comme un défi et une inspiration pour développer une approche asymétrique, version dynamique de ma théorie, dans lequel les galaxies avec une forme et une histoire différentes peuvent avoir une quantité différente de "matière noire apparente".

Par conséquent, même après les nouvelles mesures, le différend entre la matière noire et les théories alternatives de la gravité n'est pas encore réglé. Toujours, les nouveaux résultats sont un grand pas en avant :si la différence de gravité mesurée entre les deux types de galaxies est correcte, alors le modèle ultime, quel qu'il soit, devra être suffisamment précis pour expliquer cette différence. Cela signifie notamment que de nombreux modèles existants peuvent être mis au rebut, ce qui éclaircit considérablement le paysage des explications possibles. En plus de ça, la nouvelle recherche montre que des mesures systématiques du gaz chaud autour des galaxies sont nécessaires. Edwin Valentijn formule ainsi :« En tant qu'astronomes d'observation, nous avons atteint le point où nous sommes capables de mesurer la gravité supplémentaire autour des galaxies plus précisément que nous ne pouvons mesurer la quantité de matière visible. La conclusion contre-intuitive est que nous devons d'abord mesurer la présence de matière ordinaire sous forme de gaz chaud autour des galaxies, avant que de futurs télescopes tels qu'Euclide ne puissent enfin résoudre le mystère de la matière noire."