Don Lincoln est chercheur principal au Fermilab du département américain de l'Énergie, la plus grande institution de recherche sur les grands collisionneurs de hadrons d'Amérique. Il écrit également sur la science pour le public, y compris son récent "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Things That Will Blow Your Mind" (Johns Hopkins University Press, 2014). Vous pouvez le suivre sur Facebook. Lincoln a contribué cet article à Expert Voices: Op-Ed & Insights de Live Science.
De nombreuses personnes connaissant la science tiennent pour acquis que l'univers est composé non seulement des «milliards et milliards» de galaxies de Carl Sagan, mais également d'une grande quantité d'une substance invisible appelée matière noire. On pense que cette matière étrange est un nouveau type de particule subatomique qui n'interagit pas via l'électromagnétisme, ni les forces nucléaires fortes et faibles. La matière noire est également censée être cinq fois plus répandue dans l'univers que la matière ordinaire des atomes.
Cependant, la réalité est que l'existence de la matière noire n'a pas encore été prouvée. La matière noire est encore une hypothèse, quoique plutôt bien appuyée. Toute théorie scientifique doit faire des prédictions, et si elle est correcte, les mesures que vous effectuez doivent correspondre aux prédictions. Il en va de même pour la matière noire. Par exemple, les théories de la matière noire font des prédictions sur la vitesse de rotation des galaxies. Mais, jusqu'à présent, les mesures de la distribution détaillée de la matière noire au centre des galaxies de faible masse ne correspondaient pas à ces prévisions.
Un calcul récent a changé cela. Le calcul aide à résoudre l'énigme de la relation Tully-Fisher, qui compare la matière visible ou ordinaire d'une galaxie à sa vitesse de rotation. En termes très simplifiés, les scientifiques ont découvert que plus une galaxie spirale est massive (et donc plus lumineuse), plus elle tourne rapidement.
Mais si la matière noire existe, la taille d'une galaxie doit être déterminée non seulement par sa matière visible, mais aussi par sa matière noire. Avec un énorme morceau de l'équation - la quantité de matière noire - manquant, la relation Tully-Fisher ne devrait pas tenir. Et pourtant, c'est le cas. Il était difficile d'imaginer un moyen de concilier cette relation avec la théorie existante de la matière noire. Jusqu'à maintenant.
Origines de la matière noire
Les premiers signes qu'il pourrait y avoir besoin de quelque chose comme de la matière noire remontent à 1932. L'astronome néerlandais Jan Oort a mesuré les vitesses orbitales des étoiles dans la Voie lactée et a constaté qu'elles se déplaçaient trop rapidement pour être expliquées par la masse observée de la galaxie.
Les étoiles gravitent autour de leur galaxie parente sur des chemins presque circulaires et la gravité est la force qui maintient les étoiles sur ces orbites. Les équations de Newton prédisent que la force qui fait bouger les étoiles sur une trajectoire circulaire, F (circulaire), devrait être égale à la force due à la gravité sur l'étoile, F (gravité), sinon l'étoile s'envolerait dans l'espace ou tomberait dans le centre de la galaxie. Pour ceux qui se souviennent de la physique au lycée, F (circulaire) est une déclaration d'inertie et n'est que F = ma de Newton. F (gravité) est la loi de Newton de la gravitation universelle.
Près du centre des galaxies, Rubin et Ford ont constaté que F (circulaire) était à peu près égal à F (gravité), comme prévu. Mais loin du centre des galaxies, les deux côtés de l'équation ne correspondent pas très bien. Bien que les détails varient d'une galaxie à l'autre, leurs observations étaient essentiellement universelles.
Un tel écart dramatique doit être expliqué. Près du centre des galaxies, les mesures de Rubin et Ford signifiaient que la théorie fonctionnait, tandis que la différence à de plus grandes distances orbitales signifiait que quelque chose se passait que les théories existantes ne pouvaient pas expliquer. Leurs idées ont révélé que soit nous ne comprenons pas comment fonctionne l'inertie (par exemple, F (circulaire)), soit nous ne comprenons pas comment fonctionne la gravité (par exemple, F (gravité)). Une troisième possibilité est que le signe égal est faux, ce qui signifie qu'il existe une autre force ou un autre effet que l'équation n'inclut pas. C'étaient les seules possibilités.
Expliquer les écarts
Au cours des 40 années écoulées depuis les travaux originaux de Rubin et Ford, les scientifiques ont testé de nombreuses théories pour tenter d'expliquer les écarts de rotation galactique qu'ils ont constatés. Le physicien Mordehai Milgrom a proposé une modification de l'inertie, appelée "dynamique newtonienne modifiée" ou MOND. Dans sa forme initiale, il postulait qu'à des accélérations très faibles, l'équation de Newton F = ma ne fonctionnait pas.
D'autres physiciens ont suggéré des modifications des lois de la gravité. La relativité générale d'Einstein n'aide pas ici parce que, dans ce domaine, les prédictions d'Einstein et de Newton sont essentiellement identiques. Et les théories de la gravité quantique, qui tentent de décrire la gravité à l'aide de particules subatomiques, ne peuvent pas être l'explication pour la même raison. Cependant, il existe des théories gravitationnelles qui font des prédictions sur des échelles galactiques ou extragalactiques qui diffèrent de la gravité newtonienne. Ce sont donc des options.
Ensuite, il y a des prédictions selon lesquelles de nouvelles forces existent. Ces idées sont regroupées sous le nom de «cinquième force», impliquant une force au-delà de la gravité, de l'électromagnétisme et des forces nucléaires fortes et faibles.
Enfin, il y a la théorie de la matière noire: qu'un type de matière qui n'interagit pas du tout avec la lumière, mais exerce une attraction gravitationnelle, imprègne l'univers.
Si les mesures de rotation galactique étaient les seules données dont nous disposions, il pourrait être difficile de choisir entre ces différentes théories. Après tout, il pourrait être possible de modifier chaque théorie pour résoudre le problème de rotation galactique. Mais il existe maintenant de nombreuses observations de nombreux phénomènes différents qui peuvent aider à identifier la théorie la plus plausible.
L'un est la vitesse des galaxies au sein de grands amas de galaxies. Les galaxies se déplacent trop rapidement pour que les amas restent liés ensemble. Une autre observation concerne la lumière de galaxies très éloignées. Les observations de ces anciennes galaxies très éloignées montrent que leur lumière est déformée en traversant les champs gravitationnels d'amas de galaxies plus proches. Il existe également des études sur les petites non-uniformités du fond cosmique micro-ondes qui est le cri de naissance de l'univers. Toutes ces mesures (et bien d'autres) doivent également être prises en compte par toute nouvelle théorie pour expliquer les vitesses de rotation galactique.
Les questions sans réponse de la matière noire
La théorie de la matière noire a fait un travail raisonnable pour prédire bon nombre de ces mesures, c'est pourquoi elle est bien respectée dans la communauté scientifique. Mais la matière noire reste un modèle non confirmé. Jusqu'à présent, toutes les preuves de son existence sont indirectes. Si la matière noire existe, nous devrions être en mesure d'observer directement les interactions de la matière noire lorsqu'elle passe à travers la Terre et nous pourrions être en mesure de produire de la matière noire dans de grands accélérateurs de particules, comme le Grand collisionneur de hadrons. Et pourtant, aucune des deux approches n'a réussi.
De plus, la matière noire doit être en accord avec toutes les observations astronomiques, et pas seulement avec beaucoup. Bien que la matière noire soit le modèle le plus réussi jusqu'à présent, elle n'est pas complètement réussie. Les modèles de matière noire prédisent plus de galaxies satellites naines entourant de grandes galaxies comme la Voie lactée que celles réellement détectées. Bien que plus de galaxies naines soient trouvées, il y en a encore trop peu par rapport aux prédictions de la matière noire.
Une autre grande question ouverte est de savoir comment la matière noire affecte la relation entre la luminosité des galaxies et leurs vitesses de rotation. Cette relation, qui a été présentée pour la première fois en 1977, est appelée la relation Tully-Fisher, et elle a montré à plusieurs reprises que la masse visible d'une galaxie est bien corrélée avec sa vitesse de rotation.
Des défis difficiles pour la matière noire
Donc, cela met fin à l'histoire. Ce qui est nouveau?
La relation Tully-Fisher est un défi difficile pour les modèles de matière noire. La rotation d'une galaxie est régie par la quantité totale de matière qu'elle contient. Si la matière noire existe vraiment, alors la quantité totale de matière est la somme de la matière ordinaire et de la matière noire.
Mais la théorie existante de la matière noire prédit que toute galaxie aléatoire peut contenir des fractions plus ou moins grandes de matière noire. Ainsi, lorsque l'on mesure la masse visible, il se peut que vous manquiez potentiellement un énorme morceau de la masse totale. En conséquence, la masse visible devrait être un très mauvais prédicteur de la masse totale (et donc de la vitesse de rotation) de la galaxie. La masse de la galaxie pourrait être similaire à celle de la masse visible (ordinaire) ou elle pourrait être beaucoup plus grande.
Il n'y a donc aucune raison de s'attendre à ce que la masse visible soit un bon prédicteur de la vitesse de rotation de la galaxie. C'est pourtant le cas.
En fait, dans un article publié cette année, les sceptiques de la matière noire ont utilisé des mesures de la relation Tully-Fisher pour une variété de galaxies pour argumenter contre l'hypothèse de la matière noire et pour une version modifiée de l'inertie, comme MOND.
Meilleur ajustement pour la matière noire
Cependant, dans un article publié en juin, les scientifiques ont donné un coup de pouce significatif aux modèles de matière noire. Non seulement le nouveau travail reproduit les succès des prédictions antérieures du modèle de matière noire, mais il reproduit également la relation de Tully-Fisher.
Le nouvel article est un modèle "semi-analytique", ce qui signifie qu'il s'agit d'une combinaison d'équations analytiques et de simulation. Il simule l'agglutination de la matière noire dans le premier univers qui peut avoir ensemencé la formation de galaxies, mais comprend également l'interaction de la matière ordinaire, y compris des éléments tels que l'inflation de matière ordinaire dans un autre corps céleste en raison de son attraction gravitationnelle, la formation d'étoiles et le chauffage de l'inflation de gaz par la lumière des étoiles et les supernovas. En ajustant soigneusement les paramètres, les chercheurs étaient mieux en mesure de faire correspondre la relation Tully-Fisher prédite. La clé du calcul est que la vitesse de rotation prévue comprend une valeur réaliste pour le rapport des baryons à la matière noire dans la galaxie.
Le nouveau calcul est une étape supplémentaire importante dans la validation du modèle de matière noire. Cependant, ce n'est pas le dernier mot. Toute théorie réussie doit être d'accord avec toutes les mesures. L'absence d'accord signifie que la théorie ou les données sont fausses, ou du moins incomplètes. Il subsiste quelques divergences entre la prévision et la mesure (comme le nombre de petites galaxies satellites autour de grandes), mais ce nouveau document nous donne la certitude que les travaux futurs permettront de résoudre ces divergences restantes. La matière noire reste une théorie puissamment prédictive de la structure de l'univers. Il n'est pas complet et doit être validé en découvrant la particule de matière noire réelle. Donc, il y a encore du travail à faire. Mais ce calcul le plus récent est une étape importante vers le jour où nous saurons une fois pour toutes si l'univers est vraiment dominé par le côté obscur.
