La sonde Cassini vient fragiliser les astrophysiciens qui ne voulaient pas croire à l’hypothèse de la matière noire comme composant principal de l’univers

L’un des plus grands mystères de l’astrophysique actuelle est que les forces présentes dans les galaxies ne semblent pas s’additionner. Les galaxies tournent beaucoup plus vite que prévu en appliquant la loi de la gravité de Newton à leur matière visible, bien que ces lois fonctionnent partout dans le système solaire.

Pour empêcher les galaxies de se séparer, une gravité supplémentaire est nécessaire. C’est pourquoi l’idée d’une substance invisible appelée matière noire a été avancée. Mais personne n’a jamais pu percevoir ce phénomène. Le modèle standard de la physique des particules, qui connaît un succès retentissant, ne contient aucune particule susceptible d'être la matière noire : il doit s'agir de quelque chose d'assez exotique.

Cela a conduit à une tout autre idée selon laquelle les divergences galactiques sont plutôt causées par un effondrement des lois de Newton. L'idée la plus aboutie est connue sous le nom de dynamique milgromienne ou Mond, proposée par le physicien israélien Mordehai Milgrom en 1982. Mais nos recherches récentes montrent que cette théorie est fragilisée. 

Le postulat principal de la théorie Mond est que la gravité commence à se comporter différemment de ce à quoi Newton s'attendait lorsqu'elle devient très faible, comme aux bords des galaxies. La théorie Mond réussit assez bien à prédire la rotation des galaxies sans aucune matière noire, et elle a d'autres succès à son actif. Mais bon nombre d’entre eux peuvent également être expliqués par la matière noire, en préservant les lois de Newton.

Alors, comment mettre la théorie Mond à l’épreuve ? Nous poursuivons cette quête depuis de nombreuses années. La clé est que la théorie Mond ne modifie le comportement de la gravité qu'à de faibles accélérations, et non à une distance spécifique d'un objet. Vous ressentirez une accélération plus faible à la périphérie de tout objet céleste – une planète, une étoile ou une galaxie – que lorsque vous en êtes à proximité. Mais c’est le degré d’accélération, plutôt que la distance, qui prédit où la gravité devrait être plus forte. 

Cela signifie que, bien que les effets de la dynamique milgromienne se manifestent généralement à plusieurs milliers d’années-lumière d’une galaxie, si nous regardons une étoile individuelle, les effets deviendraient très significatifs à un dixième d’année-lumière. C'est seulement quelques milliers de fois plus grand qu'une unité astronomique (UA) – la distance entre la Terre et le Soleil. Mais les effets de la théorie Mond plus faibles devraient également être détectables à des échelles encore plus petites, comme dans le système solaire externe. 

Cela nous amène à la mission Cassini, qui a tourné autour de Saturne entre 2004 et son ultime crash sur la planète en 2017. Saturne orbite autour du Soleil à 10 UA (unité astronomique). En raison d'une bizarrerie de Mond, la gravité du reste de notre galaxie devrait faire en sorte que l'orbite de Saturne s'écarte subtilement de l'attente newtonienne.

Cela peut être testé en chronométrant les impulsions radio entre la Terre et Cassini. Puisque Cassini était en orbite autour de Saturne, cela a permis de mesurer la distance Terre-Saturne et de suivre avec précision l’orbite de Saturne. Mais Cassini n'a trouvé aucune anomalie du genre attendue dans la théorie Mond. La loi de Newton fonctionne toujours bien pour Saturne. 

L'un d'entre nous, Harry Desmond, a récemment publié une étude approfondissant les résultats. Peut-être que la théorie Mond correspondrait aux données de Cassini si nous ajustions la façon dont nous calculons les masses des galaxies à partir de leur luminosité ? Cela affecterait l’augmentation de la gravité que Mond doit fournir pour s’adapter aux modèles de rotation des galaxies, et donc ce à quoi nous devrions nous attendre pour l’orbite de Saturne. 

Une autre incertitude concerne la gravité des galaxies environnantes, qui a un effet mineur. Mais l’étude a montré que, étant donné la manière dont la théorie Mond devrait fonctionner pour s’adapter aux modèles de rotation des galaxies, il ne peut pas également correspondre aux résultats du suivi radio de Cassini – quelle que soit la manière dont nous ajustons les calculs. 

Avec les hypothèses standard considérées comme les plus probables par les astronomes et tenant compte d'un large éventail d'incertitudes, les chances que Mond corresponde aux résultats de Cassini sont les mêmes qu'une pièce retournée atterrissant sur la face haute 59 fois de suite. C’est plus de deux fois l’étalon-or « 5 sigma » pour une découverte scientifique, ce qui correspond à environ 21 tirages à pile ou face d’affilée. 

Encore une mauvaise nouvelle pour Mond

Ce n’est pas la seule mauvaise nouvelle pour la théorie Mond. Un autre test est fourni par les étoiles binaires larges – deux étoiles qui gravitent autour d’un centre partagé à plusieurs milliers d’UA (d'unité astronomique) l’une de l’autre. La théorie Mond a prédit que ces étoiles devraient orbiter les unes autour des autres 20 % plus rapidement que prévu selon les lois de Newton. Mais l’un d’entre nous, Indranil Banik, a récemment mené une étude très détaillée qui infirme cette prédiction. La probabilité que Mond ait raison compte tenu de ces résultats est la même qu'un atterrissage équitable de pièces en tête-à-tête 190 fois de suite.

Les résultats d'une autre équipe montrent que la théorie Mond ne parvient pas non plus à expliquer les petits corps célestes situés dans le lointain système solaire externe. Les comètes venant de cette zone ont une distribution d’énergie beaucoup plus étroite que ce que prédit la théorie Mond. Ces corps célestes ont également des orbites qui ne sont généralement que légèrement inclinées par rapport au plan proche duquel gravitent toutes les planètes. Mond ferait en sorte que les inclinaisons soient beaucoup plus grandes.

La gravité newtonienne est fortement préférée à celle de Mond sur des échelles de longueur inférieures à environ une année-lumière. Mais la théorie Mond échoue également à des échelles plus grandes que les galaxies : elle ne peut pas expliquer les mouvements au sein des amas de galaxies. La matière noire a été présentée pour la première fois par Fritz Zwicky dans les années 1930 pour expliquer les mouvements aléatoires des galaxies au sein de l'amas de Coma, qui nécessitent plus de gravité pour le maintenir ensemble que la masse visible ne peut en fournir. 

La théorie Mond ne peut pas non plus fournir suffisamment de gravité, du moins dans les régions centrales des amas de galaxies. Mais en périphérie, Mond apporte trop de gravité. En supposant plutôt que la gravité newtonienne, avec cinq fois plus de matière noire que de matière normale, semble bien correspondre aux données.

Le modèle cosmologique standard de matière noire n’est cependant pas parfait. Il y a des choses qu’il a du mal à expliquer, du taux d’expansion de l’univers aux structures cosmiques géantes. Nous n’avons donc peut-être pas encore le modèle parfait. Il semble que la matière noire soit là pour rester, mais sa nature pourrait être différente de celle suggérée par le modèle standard. Il se peut aussi que la gravité soit effectivement plus forte que nous le pensons – mais uniquement à très grande échelle. 

En fin de compte, la théorie Mond, tel qu’elle est actuellement formulée, ne peut plus être considérée comme une alternative viable à la matière noire. Cela ne nous plaît peut-être pas, mais le côté obscur règne toujours.

Cet article a été publié initialement sur le site The Conversation : cliquez ICI