Matière noire : la piste de la gravité modifiée passe un test crucial
Décrire les caractéristiques du premier rayonnement de l’Univers était jusqu’à présent un test fatal pour tous les scénarios concurrents de la matière noire. Or un nouveau modèle de gravité modifiée vient de passer cette épreuve. Il ouvre une voie inédite pour résoudre l’énigme de la matière noire.
La question de la matière noire est une épine dans le pied des cosmologistes. Qu’ils observent l’Univers à l’échelle des galaxies, des amas de galaxies ou aux plus grandes échelles, les chercheurs s’accordent pour dire qu’un ingrédient de nature encore inconnue est indispensable pour décrire correctement ces différentes structures. Une majorité de spécialistes pensent que cet élément prend la forme de « matière noire », composée de particules qu’il reste à identifier. Cette matière noire serait cinq fois plus abondante que la matière ordinaire (celle constituée d’atomes). Cette voie n’est pas la seule, d’autres pistes existent. Notamment, en modifiant les lois de la gravitation, il est possible d’obtenir des résultats intéressants, surtout à l’échelle des galaxies. Cette approche, proposée il y a quarante ans, butait sur un obstacle que l’on pensait fatal : le fond diffus cosmologique, un rayonnement émis dans l’Univers alors âgé de 380 000 ans et que l’on observe encore aujourd’hui. Mais Constantinos Skordis et Tom Złośnik, de l’Académie tchèque des sciences, à Prague, ont récemment fait sauter ce verrou. Ils ont développé un modèle de gravité modifiée qui passe le test.
« C’est un véritable tour de force qui a été accompli, souligne Benoît Famaey, de l’observatoire de Strasbourg. À ce stade, il s’agit surtout d’une preuve de concept, mais ces deux chercheurs viennent de montrer qu’il est possible par l’approche de la gravité modifiée de reproduire à la fois le fond diffus cosmologique et la dynamique des galaxies. » Ce modèle servira peut-être d’inspiration à une théorie physiquement mieux motivée qui en reprendra les ingrédients de base.
L’histoire de la matière noire a presque quatre-vingt-dix ans. Dans les années 1930, l’astronome Fritz Zwicky a noté des incohérences en étudiant la dynamique des galaxies au sein de l’amas de la Chevelure de Bérénice (aussi nommé amas de Coma). Le mouvement des galaxies régi par la gravitation n’était pas compatible avec la quantité de matière que l’amas semblait contenir. Il a suggéré la présence, avant l’heure, de matière sombre. La question a suscité peu d’interrogations jusqu’en 1970, quand Vera Rubin a commencé à observer le même problème en mesurant le profil de vitesse des galaxies spirales, c’est-à-dire la vitesse de rotation des objets en fonction de leur distance au centre de leur galaxie. Les lois de Newton décrivent assez simplement comment la vitesse devrait évoluer en fonction du rayon, ou, plus précisément, en fonction de la quantité de masse galactique incluse à l’intérieur de ce rayon. Or l’astrophysicienne constatait que les objets les plus éloignés dans la galaxie se déplaçaient bien trop rapidement et auraient donc dû être éjectés. En effet, au lieu de décroître à partir d’une certaine distance du centre galactique, le profil de vitesse formait un plateau constant.
En 1973, en s’appuyant sur des simulations numériques, le Prix Nobel de physique 2019 pour ses travaux en cosmologie, James Peebles, et Jeremiah Ostriker ont proposé que les galaxies étaient entourées d’un halo de matière n’émettant pas de lumière et n’interagissant pas avec la matière ordinaire sauf par son influence gravitationnelle sur le système. Cette « matière noire » expliquerait alors le profil de vitesse des galaxies.
Un ingrédient manquant et pourtant omniprésent
Les cosmologistes ont ensuite montré que la matière noire permettait d’expliquer aussi la dynamique des amas de galaxies qui posait problème à Fritz Zwicky. Et, aux échelles plus vastes, cet ingrédient contribue à reproduire de façon satisfaisante la formation des grandes structures et le spectre du fond diffus cosmologique. La matière noire est ainsi devenue un élément incontournable du modèle cosmologique.
La matière noire balayée par une nouvelle théorie ?
Son rôle dans la compréhension du fond diffus cosmologique est particulièrement important. Ce rayonnement microonde est presque homogène et isotrope quand on mesure
https://www.pourlascience.fr/sd/cosmologie/matiere-noire-la-piste-de-la-gravite-modifiee-passe-un-test-crucial-23353.php?utm_term=Autofeed&utm_medium=Social&utm_source=Facebook&fbclid=IwAR1uNLcZAPxf03mmj4W7pLCkCLwbRADAkzgsaSCzhYHjL07LjRxnZwQIWHU#Echobox=1645781790