Depuis des décennies, les astronomes, physiciens et cosmologistes ont théorisé que l’univers est rempli d’un matériau exotique appelé « matière noire » qui explique le comportement gravitationnel plus étrange des galaxies et des amas de galaxies.
La matière noire, selon les modèles mathématiques, constitue les trois quarts de toute la matière de l’univers. Mais elle n’a jamais été vue ni entièrement expliquée. Et alors que la matière noire est devenue la théorie dominante pour expliquer l’un des plus grands mystères de l’univers, certains scientifiques ont cherché des explications alternatives pour expliquer pourquoi les galaxies agissent comme elles le font.
A présent, une équipe internationale de scientifiques dit avoir trouvé de nouvelles preuves que peut-être la matière noire n’existe pas vraiment après tout.
Dans une recherche publiée en novembre dans l’Astrophysical Journal, les scientifiques signalent de minuscules écarts dans les vitesses orbitales d’étoiles lointaines qui, selon eux, révèlent un faible effet gravitationnel – et qui pourrait mettre fin aux idées dominantes sur la matière noire.
L’étude suggère qu’une compréhension scientifique incomplète de la gravité est à l’origine de ce qui semble être la force gravitationnelle des galaxies et des amas de galaxies, plutôt que de vastes nuages de matière noire.
Cela pourrait signifier que les mathématiques pures, et non la matière invisible, pourraient expliquer pourquoi les galaxies se comportent comme elles le font, a déclaré le coauteur de l’étude, Stacy McGaugh, qui dirige le département d’astronomie de la Case Western Reserve University à Cleveland.
La nouvelle recherche rapporte que les signes d’une faible marée gravitationnelle, connue sous le nom d' »effet de champ externe » ou EFE, peuvent être observés statistiquement dans les vitesses orbitales des étoiles dans plus de 150 galaxies.
Les auteurs disent que l’effet ne peut pas être expliqué par les théories de la matière noire, mais qu’il est prédit par ce qu’on appelle la théorie de la dynamique newtonienne modifiée, ou MOND.
« Ce que nous disons vraiment, c’est qu’il y a absolument des preuves d’une divergence », a déclaré McGaugh. « Ce que vous voyez n’est pas ce que vous obtenez, si tout ce que vous connaissez est Newton et Einstein. »
Les astronomes ont longtemps supposé que les étoiles orbitaient autour des centres des galaxies à des vitesses prédites par la théorie de la gravité formulée par le physicien et mathématicien anglais Isaac Newton il y a plus de 300 ans.
Newton a basé sa théorie selon laquelle les objets s’attirent avec une force variant en fonction de leur masse sur des observations des orbites des planètes. Avec les raffinements apportés par les théories du physicien d’origine allemande Albert Einstein au XXe siècle, elle reste étonnamment précise.
Mais les observations de l’amas de galaxies Coma dans les années 1930 par l’astronome suisse Fritz Zwicky, qui travaillait alors à l’Institut de technologie de Californie, ont révélé qu’il était soumis à des forces gravitationnelles plus importantes que prévu – un effet qu’il a attribué à la « dunkel (kalt) materie », ce qui signifie en allemand « matière sombre (froide). »
Lorsque les astronomes américains Vera Rubin et Kent Ford ont découvert des anomalies dans les orbites des étoiles dans les galaxies dans les années 1970, de nombreux scientifiques ont théorisé qu’elles étaient causées par des masses de « matière noire » invisible à l’intérieur et autour des galaxies, et cette idée a dominé l’astrophysique depuis lors.
Selon certaines estimations, la matière noire représente environ 85 % de toute la matière de l’univers. On dit qu’elle interagit avec la lumière et la matière visible uniquement par le biais de la gravité, et elle explique les anomalies observées dans les galaxies lointaines.
Mais elle n’a jamais été vue, et jusqu’à présent personne n’a complètement expliqué ce qu’elle pourrait être, bien que les candidats à la matière noire comprennent les particules massives à faible interaction, ou WIMPS, les trous noirs primordiaux et les neutrinos.
MOND a été formulé dans les années 1980 par un physicien israélien, Mordehai Milgrom, pour expliquer les divergences observées sans matière noire.
Il propose que la gravité provoque une très petite accélération, non prédite par Newton et Einstein, à des niveaux si bas qu’elle ne peut être vue que dans des objets de la taille d’une galaxie ; et cela signifierait que l’explication de la matière noire n’est pas nécessaire.
Jusqu’à présent, MOND a survécu à plusieurs tests scientifiques – bien que de nombreux scientifiques disent qu’elle ne peut pas expliquer les observations de l’amas de galaxies en collision Bullet, par exemple.
McGaugh admet que MOND est un point de vue minoritaire en astrophysique, et que la plupart des scientifiques favorisent l’existence de la matière noire – une idée qu’il favorisait lui-même, jusqu’à ce qu’il commence à changer d’avis il y a environ 25 ans.
« J’aurais autrefois dit les mêmes choses : il est absolument prouvé qu’il y a de la matière noire, ne vous inquiétez pas pour cela », a-t-il dit.
Mais beaucoup des prédictions de MOND ont été vues dans les observations astronomiques, et les dernières recherches sont une preuve de plus pour elle, a-t-il dit.
« MOND est la seule théorie qui a réussi de cette façon », a déclaré McGaugh. « C’est la seule théorie dont toutes les prédictions se sont systématiquement réalisées. »
La nouvelle recherche soulève « une question très intéressante », a déclaré Matthias Bartelmann, professeur d’astrophysique théorique à l’Université de Heidelberg en Allemagne, qui n’a pas participé à l’étude.
« La matière noire peut-elle être expliquée par une loi de gravité différente ? Ce serait très important pour la cosmologie ainsi que pour la physique des particules si c’était le cas », a-t-il déclaré dans un courriel.
Il doute cependant que « l’effet de champ externe » rapporté dans la nouvelle recherche soit vraiment une prédiction unique de MOND, et qu’il ne puisse pas être expliqué par certaines théories concurrentes.
Et puisque la théorie MOND a été formulée pour rendre compte des divergences de rotation dans les galaxies, on s’attendrait à ce que le fait de la tester sur les galaxies donne des résultats convaincants ; au lieu de cela, MOND doit être testée avec succès sur d’autres objets, tels que les amas de galaxies, a-t-il déclaré.