En octobre, LIGO et son homologue européen, VIRGO, ont été témoins de vagues gravitationnelles ondulant à la suite d’une collision à couper le souffle entre deux étoiles à neutrons. Cet événement sans précédent ressemblait à un autre triomphe pour un nouveau type d'astronomie, qui pourrait utiliser les ondes gravitationnelles pour sonder certains des mystères les plus profonds de l'univers. Mais malgré toute l'excitation, la plupart des gens n'ont pas remarqué que quelque chose était mort: tout un groupe de théories qui posent un univers sans matière noire.
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C’est vrai: une conséquence moins connue des nouvelles de LIGO est que nous sommes sur le point de voir le débat sur la matière noire changer considérablement, ce qui semble attirer de manière gravitationnelle le matériau visible et l’espace de flexion, mais ne peut pas être vu. . Selon un article posté sur le serveur de pré-impression ArXiv par Richard Woodard, professeur de physique à l'Université de Floride, l'observation récente annule une classe de théories cherchant à expliquer le comportement de la gravité à l'échelle d'une galaxie sans matière noire.
Woodard note que certaines de ces théories, connues sous le nom de gravité modifiée (MOG) ou modification de la dynamique newtonienne (MOND), prédisent que les ondes gravitationnelles et les ondes lumineuses arriveraient à des moments différents. Pourtant, LIGO a capté les ondes gravitationnelles et la lumière de deux étoiles à neutrons en collision à environ 2 secondes l'une de l'autre. Étant donné que la source des deux sources se trouvait à 130 millions d'années-lumière, la différence n'est que d'une partie sur environ 1, 5 quadrillion. Essentiellement, ils sont arrivés au même moment.
Les types de modèles évoqués par Woodard - qu'il appelle "émulateurs de matière noire" - tentent de reproduire les effets de la matière noire en supposant que la gravité se comporte différemment de ce que la plupart des scientifiques pensent. "Notre document n'exclut certainement pas tous les modèles de gravité modifiés qui renoncent à la matière noire", a précisé Woodard. "Cela s'applique uniquement à la grande classe d'entre eux."
Pourtant, les théoriciens de la lutte contre la matière noire ont beau avoir subi un choc, ils ne baissent pas les bras.
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Dans la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein, l'espace est courbé par des objets massifs. Un faisceau de photons - autrement dit lumière - parcourt la distance la plus courte entre deux points (qui n'est pas toujours une ligne droite). La relativité générale dit que les ondes gravitationnelles et la lumière se déplacent sur les mêmes lignes ou métriques.
Mais si la relativité générale a été justifiée ces derniers temps, ce n'est pas le dernier mot. Certaines théories alternatives sur la gravité avaient des ondes gravitationnelles se déplaçant sur une trajectoire différente, ou métrique, de la lumière. Pour obtenir cet effet, une théorie de la gravité modifiée devrait supposer que la trajectoire des ondes gravitationnelles n'est affectée que par la matière visible que nous voyons, alors que la lumière (photons) serait affectée par la matière visible et par tous les effets dupliqués qui ressemblent à de la matière noire.
Dans ce scénario, les ondes gravitationnelles et la lumière arriveraient à des moments très différents. Mais, vu que LIGO a vu les deux arriver si près l'un de l'autre, il semblerait qu'un puissant élément de preuve prouve que la gravité fonctionne comme le dit la théorie d'Einstein - ce qui renforcerait à son tour le cas de la matière noire.
Cependant, bien avant la LIGO, certains physiciens n'étaient pas satisfaits de la matière noire et ont élaboré d'autres théories qui cherchaient à expliquer ce que les astronomes voient. Un ensemble de théories est connu sous le nom de gravité tenseur-vecteur-scalaire (TeVeS), qui ajoute un champ supplémentaire à la gravité. Développé par Jacob Bekenstein en 2004, il était déjà critiqué car il semblait nécessiter des neutrinos plus massifs que ce que les physiciens avaient estimé jusqu'à présent, et il ne produisait pas toujours d'étoiles stables. Le scalaire-tenseur-vecteur-gravité (STVG) ajoute également un autre champ, bien que de manière différente de TeVeS. La théorie dit que la gravité devient plus forte à mesure que vous passez du système solaire aux galaxies, puis aux amas de galaxies. Selon Woodard, ce sont ces deux catégories de théories qui sont exclues des dernières données.
On pourrait penser que les physiciens accepteraient finalement que la matière noire existe, quelle que soit sa forme. Droite? Eh bien, les partisans de la gravité modifiée disent qu'ils ne sont pas encore terminés.
John Moffat, chercheur à l'Institut Perimeter de Waterloo au Canada, dit que Woodard a simplement mal interprété sa théorie. "Ils ne fournissent aucune explication sur la raison pour laquelle mon MOG est falsifié", a-t-il déclaré dans un courrier électronique. "Il est vrai que ces théories de MOND sont exclues des données de fusion d'étoiles à neutrons. Par conséquent, il apparaît que mon MOG est la seule théorie de gravité subsistante capable d'expliquer la galaxie, les données de grappes de galaxies et les données de cosmologie sans matière noire détectable dans l'univers actuel " Moffat dit que sa théorie prédit effectivement que les ondes lumineuses et gravitationnelles arriveraient en même temps.
"La meilleure façon d'interpréter ce résultat n'est pas de prouver que la matière noire est correcte, mais plutôt de limiter la manière dont les théories de la gravité modifiées doivent être construites si elles cherchent à s'en passer, " a déclaré Woodard.
Différents chemins
Dans les années 1970, l'astronome Vera Rubin, alors décédée à la Carnegie Institution, a constaté que la matière visible ne se déplaçait pas plus lentement lorsque l'on sortait du centre galactique (comme les planètes se déplacent plus lentement lorsque l'on s'éloigne du soleil). À un moment donné, tout se déplaçait à la même vitesse. Soit il y avait beaucoup de masse diffuse autour des galaxies que nous ne pouvions pas voir, soit la gravité se comportait d'une manière qui n'était pas apparente auparavant.
Les premières explications de la matière invisible comprennent: les gaz, les planètes voyous, les neutrinos et même les trous noirs. Finalement, tous ont été écartés au profit de la conception actuelle de la matière noire en tant qu’élément qui n’interagissait que par gravité.
Pourtant, quelques physiciens ont estimé que l’idée de la matière noire était trop pratique, quelque chose d’inventé pour que les mathématiques fonctionnent. Peut-être que la gravité fonctionnait différemment à différentes échelles et que la relativité générale ne l'expliquait tout simplement pas, ont-ils théorisé.
Mordehai Milgrom, professeur émérite à l'Institut Weizmann des sciences en Israël, était l'un des premiers théoriciens du MOND, ayant proposé sa version dans les années 1980. Dans sa théorie, sa théorie propose que la dynamique gravitationnelle change lorsque les accélérations dues à la force gravitationnelle deviennent inférieures à une certaine limite. Il affirme également que la gravité et la lumière se déplacent sur différentes métriques.
Prises ensemble, ces théories présentaient, sinon une menace sérieuse, du moins les allusions à des problèmes de matière noire - jusqu'à maintenant. "
Matière noire FTW
La matière noire n'explique pas seulement les courbes de rotation. Cela explique également les observations de lentilles gravitationnelles - la flexion de la lumière par des objets massifs. Lorsque nous regardons des galaxies lointaines, nous voyons des objets derrière elles comme à travers une lentille, par relativité générale. La lumière est courbée d'une quantité qui ne peut être expliquée par la masse visible. C’était là un autre élément de preuve de la matière noire (ou quelque chose du genre).
La matière noire peut également expliquer pourquoi le fond de micro-ondes cosmique a cette apparence: il est uniforme en moyenne, mais à une plus petite échelle, il est massif, comme on pourrait s'y attendre dans un univers de matière noire. "L'une des choses que les théoriciens de l'alternative à la matière noire ne parlent jamais, c'est que si vous n'avez pas de matière noire, vous ne rencontrez pas de bosses dans le [fond micro-onde cosmique]", déclare Will Kinney, professeur de physique à la Université à Buffalo. "A ma connaissance, aucune des théories alternatives sur la matière noire n'a jamais expliqué les bosses du spectre (fond cosmique), ce qui me dit que ces théories ne fonctionneront pas."
Un bon exemple est le groupe Bullet, une région de l’espace dans laquelle deux groupes de galaxies entrent en collision. Les observations du groupe montrent des effets de lentille qui ne s'alignent pas avec la matière visible qu'il contient. Pourtant, si l’on suppose que la matière noire est présente mais ne s’est pas encore installée autour de la grappe, alors la lentille correspond à la théorie de la matière noire, a déclaré Kinney.
Le cas de MOND
Malgré cela, les architectes de la gravité modifiée répondent aux problèmes de la matière noire. L'une est une anomalie autour du groupe Bullet - la même qui, selon la plupart, prend en charge la théorie de la matière noire. Selon certaines observations, le groupe Bullet accélère trop rapidement; même en supposant que la matière noire, les vitesses sont "fausses". De plus, la matière noire prédit moins bien la vitesse de rotation de certaines galaxies que la gravité modifiée.
En outre, certaines galaxies qui semblent avoir une matière moins visible apparaissent toujours plus massives. Cela pourrait être dû à beaucoup de matière noire, mais il n'y a aucune raison particulière qui devrait être le cas. Les théories de MOND s'en tirent mieux. "MOND a plus de pouvoir prédictif. On peut l'utiliser pour prédire la cinématique de galaxies apparemment dominées par la matière noire. Vous ne pouvez pas faire la même prédiction avec la matière noire. Tout ce que vous pouvez dire, c'est 'Je parie que la galaxie à faible luminosité superficielle a beaucoup de noir importe! '", a déclaré Stacy McGaugh, astrophysicien à la Case Western Reserve University, qui a travaillé sur des théories de la gravité modifiées." Ceci est basé sur l'expérience précédente, et non sur la théorie, pour laquelle il n'y a pas de prédiction convenue. "
Un autre problème est la distribution de cette matière. Milgrom note que dans presque toutes les galaxies observées jusqu’à présent, les courbes de rotation ont la même forme jusqu’au point où l’accélération due à la gravité vers le centre est d’environ un milliardième de mètre par seconde au carré (à peu près la même chose). gravitationnelle ressentie par une personne à deux mètres d’un poids de 10 kilogrammes).
Si de la matière noire existe, on ne s’attendrait pas à ce qu’elle soit toujours distribuée de cette façon. Ce serait comme aller dans tous les pays de la planète et constater que la distribution des revenus était exactement la même, malgré les histoires très différentes de chaque pays.
"Dans le paradigme [de la matière noire], la dynamique actuelle résulte de l'histoire complexe, cataclysmique et inconnaissable de la galaxie étudiée: sur le nombre de fusions subies et sur la violence à laquelle elles ont été soumises, sur l'éjection des baryons la galaxie en raison de divers processus mal compris, etc. ", dit-il. Les théories de MOND, a-t-il ajouté, permettent de mieux prédire le mouvement des galaxies à cet égard.
Même Milgrom, cependant, reconnaît qu'il y a certains domaines que les théories de MOND ne prédisent pas non plus, même dans leurs versions relativistes MOG - ne reproduisant pas le fond de micro-onde cosmique observé, par exemple. "Nous avons besoin d'une extension de MOND qui tiendra compte de la cosmologie. Nous travaillons sur cela."
Sabine Hossenfelder, chargée de recherche à l'Institut d'études avancées de Francfort en Allemagne, reconnaît que l'observation de Woodard rendrait certains types de MOND ou de MOG obsolètes, mais elle n'est pas convaincue non plus que la matière noire soit la solution. "Il est presque certainement exact que l'observation exclue les théories reposant sur les hypothèses énumérées dans le document. Mais il est difficile de savoir quelles théories de la gravité modifiées, le cas échéant, remplissent réellement les hypothèses", a-t-elle déclaré. Sur son blog, elle a noté que la matière noire fonctionnait à toutes les échelles, tandis que la gravité modifiée ne fonctionnait pas aussi bien pour la cosmologie.
Ethan Siegel, un astrophysicien et auteur, a déclaré que les chances sont que beaucoup de champs de gravité modifiés sont annulés par les observations LIGO. Comme Hossenfelder, il pense que le problème de MOND réside dans les échelles décrites. "Moffat a raison: MOND fait mieux que la matière noire aux échelles galactiques. Si vous regardez les galaxies individuelles et leurs propriétés dynamiques, MOND a l'avantage. MOND échoue à toutes les échelles, à part cela." Certaines des théories de Milgrom, a-t-il dit, pourraient survivre - si l'affirmation de Milgrom selon laquelle la gravité obéit à des règles différentes de celles de la matière dans l'univers est vraie, par exemple. "C'est une théorie qui peut encore survivre à ces résultats d'ondes gravitationnelles."
Et malgré ses travaux sur les alternatives à la pesanteur, McGaugh a déclaré que seules des matières noires peuvent donner un sens. "Je ne vois pas comment expliquer l'arrière-plan cosmique à micro-ondes ou les amas de galaxies (tous les amas riches, pas seulement l'amas de balles) sans cela", dit-il. "Cela ne veut pas dire que cela ne peut pas arriver, mais pour le moment Je ne vois aucune autre explication viable. " En même temps, il n’est pas encore engagé de part et d’autre. «Ni sont convaincants, dit-il.
En d'autres termes, attendez-vous à ce que le débat continue de faire rage dans un avenir prévisible - avec la collision de la force de deux étoiles à neutrons.
