Nous pouvons modéliser assez précisément les mouvements des planètes du système solaire en utilisant les lois de la physique de Newton. Mais au début des années 1970, les scientifiques ont remarqué que cela ne fonctionnait pas pour les galaxies à disque - les étoiles situées à leurs bords extérieurs, loin de la force gravitationnelle de toute la matière en leur centre - se déplaçaient beaucoup plus rapidement que ne le prévoyait la théorie de Newton.

Cela a amené les physiciens à proposer qu'une substance invisible appelée "matière noire" fournisse une attraction gravitationnelle supplémentaire, entraînant une accélération des étoiles - une théorie qui est devenue extrêmement populaire. Cependant, dans une revue récente, mes collègues et moi-même suggérons que les observations sur une vaste gamme d'échelles sont bien mieux expliquées dans une théorie alternative de la gravité proposée par le physicien israélien Mordehai Milgrom en 1982 appelée Dynamique Milgromienne ou Mond - ne nécessitant aucune matière invisible.

Le principal postulat de Mond est que lorsque la gravité devient très faible, comme cela se produit au bord des galaxies, elle commence à se comporter différemment de la physique newtonienne. De cette façon, il est possible d'expliquer pourquoi les étoiles, les planètes et le gaz à la périphérie de plus de 150 galaxies tournent plus vite que prévu en se basant uniquement sur leur masse visible. Mais Mond ne se contente pas d'expliquer de telles courbes de rotation, dans de nombreux cas, il prédit eux.

Les philosophes des sciences ont soutenu que ce pouvoir de prédiction rend Mond supérieur au modèle cosmologique standard, qui propose qu'il y a plus de matière noire dans l'univers que de matière visible. En effet, selon ce modèle, les galaxies ont une quantité très incertaine de matière noire qui dépend des détails de la formation de la galaxie, ce que nous ne savons pas toujours. Cela rend impossible de prédire à quelle vitesse les galaxies devraient tourner. Mais de telles prédictions sont régulièrement faites avec Mond, et jusqu'à présent, elles ont été confirmées.

Imaginons que nous connaissions la répartition de la masse visible dans une galaxie mais que nous ne connaissions pas encore sa vitesse de rotation. Dans le modèle cosmologique standard, il serait seulement possible de dire avec une certaine confiance que la vitesse de rotation sortira entre 100km/s et 300km/s à la périphérie. Mond fait une prédiction plus précise selon laquelle la vitesse de rotation doit être comprise entre 180 et 190 km/s.

Si les observations révèlent plus tard une vitesse de rotation de 188 km/s, cela est cohérent avec les deux théories, mais clairement, Mond est préféré. Il s'agit d'une version moderne du rasoir d'Occam - que la solution la plus simple est préférable aux plus complexes, dans ce cas que nous devrions expliquer les observations avec le moins de "paramètres libres" que possible. Les paramètres libres sont des constantes - certains nombres que nous devons insérer dans des équations pour les faire fonctionner. Mais ils ne sont pas donnés par la théorie elle-même - il n'y a aucune raison pour qu'ils aient une valeur particulière - nous devons donc les mesurer par observation. Un exemple est la constante de gravitation, G, dans la théorie de la gravité de Newton ou la quantité de matière noire dans les galaxies dans le modèle cosmologique standard.

Nous avons introduit un concept connu sous le nom de "flexibilité théorique" pour capturer l'idée sous-jacente du rasoir d'Occam selon laquelle une théorie avec plus de paramètres libres est cohérente avec un plus large éventail de données, ce qui la rend plus complexe. Dans notre examen, nous avons utilisé ce concept pour tester le modèle cosmologique standard et Mond par rapport à diverses observations astronomiques, telles que la rotation des galaxies et les mouvements au sein des amas de galaxies.

A chaque fois, nous avons attribué une note de flexibilité théorique comprise entre -2 et +2. Un score de -2 indique qu'un modèle fait une prédiction claire et précise sans jeter un coup d'œil aux données. Inversement, +2 implique "tout va bien" - les théoriciens auraient pu ajuster presque n'importe quel résultat d'observation plausible (car il y a tellement de paramètres libres). Nous avons également évalué la correspondance de chaque modèle avec les observations, +2 indiquant un excellent accord et -2 réservé aux observations qui montrent clairement que la théorie est fausse. Nous soustrayons ensuite le score de flexibilité théorique de celui de l'accord avec les observations, car bien faire correspondre les données, c'est bien, mais être capable d'ajuster n'importe quoi, c'est mal.

Une bonne théorie ferait des prédictions claires qui seraient confirmées plus tard, obtenant idéalement un score combiné de +4 dans de nombreux tests différents (+2 -(-2) =+4). Une mauvaise théorie obtiendrait un score compris entre 0 et -4 (-2 -(+2)=-4). Des prédictions précises échoueraient dans ce cas :il est peu probable qu'elles fonctionnent avec la mauvaise physique.

Nous avons trouvé un score moyen pour le modèle cosmologique standard de -0,25 sur 32 tests, tandis que Mond a obtenu une moyenne de +1,69 sur 29 tests. Les scores pour chaque théorie dans de nombreux tests différents sont présentés dans les figures 1 et 2 ci-dessous pour le modèle cosmologique standard et Mond, respectivement.

Il est immédiatement évident qu'aucun problème majeur n'a été identifié pour Mond, ce qui est au moins plausiblement en accord avec toutes les données (notez que les deux lignes inférieures indiquant les falsifications sont vides dans la figure ci-dessous).

Les problèmes avec la matière noire

L'un des échecs les plus frappants du modèle cosmologique standard concerne les "barres de galaxies" - des régions brillantes en forme de bâtonnets constituées d'étoiles - que les galaxies spirales ont souvent dans leurs régions centrales (voir l'image principale). Les barres tournent dans le temps. Si les galaxies étaient intégrées dans des halos massifs de matière noire, leurs barres ralentiraient. Cependant, la plupart, sinon la totalité, des barres de galaxies observées sont rapides. Cela falsifie le modèle cosmologique standard avec une très grande confiance.

Un autre problème est que les modèles originaux qui suggéraient que les galaxies avaient des halos de matière noire ont fait une grosse erreur - ils ont supposé que les particules de matière noire fournissaient la gravité à la matière qui les entoure, mais n'étaient pas affectées par l'attraction gravitationnelle de la matière normale. Cela a simplifié les calculs, mais cela ne reflète pas la réalité. Lorsque cela a été pris en compte dans les simulations ultérieures, il était clair que les halos de matière noire autour des galaxies n'expliquaient pas de manière fiable leurs propriétés.

Il existe de nombreux autres échecs du modèle cosmologique standard que nous avons étudiés dans notre revue, Mond étant souvent capable d'expliquer naturellement les observations. La raison pour laquelle le modèle cosmologique standard est néanmoins si populaire pourrait être due à des erreurs de calcul ou à une connaissance limitée de ses échecs, dont certains ont été découverts assez récemment. Cela pourrait également être dû à la réticence des gens à modifier une théorie de la gravité qui a si bien réussi dans de nombreux autres domaines de la physique.

L'énorme avance de Mond sur le modèle cosmologique standard dans notre étude nous a conduit à conclure que Mond est fortement favorisé par les observations disponibles. Bien que nous ne prétendions pas que Mond soit parfait, nous pensons toujours qu'il obtient une vue d'ensemble correcte - les galaxies manquent vraiment de matière noire. + Explorer plus loin

Une nouvelle tournure sur la rotation des galaxies sauve la théorie controversée de la gravité

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article d'origine.