La seule façon serait de changer les lois de la gravité, mais le meilleur de nos observations a noté de tels changements.

L'écart entre ce qui est attendu et ce qui a été observé s'est creusé au fil des années et nous sommes de plus en plus tendus à combler cette lacune.
- Jeremiah P. Ostriker

Si vous êtes intéressé par le cosmos, l'Univers et ce qu'il contient, vous devriez avoir entendu parler de la matière noire - ou du moins du problème de la matière noire. Passons brièvement en revue ce que vous pouvez voir si vous regardez l'Univers à l'aide de la plus grande technologie de télescope que l'humanité ait pu créer.

Non, pas cette image. Vous pouvez voir cela avec un œil très bien armé: une petite région de l'espace contenant quelques étoiles sombres dans notre galaxie, et rien de plus.

Nous avons examiné non seulement cette région particulière, mais aussi de nombreuses autres régions similaires, à l'aide d'outils incroyablement sensibles. Même pour une telle région, dépourvue d'étoiles brillantes, de galaxies ou de grappes et de groupes célèbres, nous n'avons qu'à diriger nos caméras vers elle pendant un certain temps. Et si beaucoup de temps passe, nous commencerons à collecter des photons à partir de sources incroyablement faibles et éloignées. Cette petite zone appelée XDF est le résultat de l'observation dans l'expérience Hubble eXtreme Deep Field, une région si petite qu'il faudrait 32 000 000 pour couvrir tout le ciel nocturne de ces régions. Et pourtant, ils y ont encore vu le télescope. Hubble.

Sur cette image, 5500 galaxies uniques sont trouvées, ce qui signifie que dans l'Univers il y a au moins 200 milliards de galaxies. Mais malgré l'impression faite par ce montant, ce n'est toujours pas la découverte la plus impressionnante que nous ayons faite sur l'Univers en étudiant le grand nombre et la variété des galaxies, des groupes et des amas.

Réfléchissez à ce qui fait briller ces galaxies, qu'elles soient situées très près de nous ou à des dizaines de milliards d'années-lumière.

Ce sont des étoiles brillantes dans les galaxies! Au cours des 150 dernières années, l'une des principales réalisations de l'astronomie et de l'astrophysique a été de comprendre comment les étoiles se forment, vivent, meurent et brillent au cours de la vie. Lorsque nous mesurons la lumière stellaire de l'une des galaxies visibles, nous pouvons immédiatement dire quelles étoiles y sont présentes et quelle est leur masse totale.

Souvenez-vous de ce fait lorsque nous avançons: la lumière des galaxies, des groupes et des amas nous renseigne sur la masse des étoiles contenues dans une galaxie, un groupe ou un amas. Mais nous pouvons mesurer non seulement la lumière des étoiles!

Nous pouvons mesurer le mouvement des galaxies, la vitesse de leur rotation, leurs vitesses relatives, etc. Cela nous donne beaucoup, car sur la base des lois de la gravité, si nous mesurons leur vitesse, nous pouvons calculer la quantité de masse et de matière qui devrait y être!

Pensez-y: les lois de la gravité sont universelles, ce qui signifie qu'elles sont les mêmes dans tout l'univers. La loi régissant le système solaire devrait être la même que la loi régissant les galaxies. Il s'avère que nous avons deux façons différentes de mesurer la masse des plus grandes structures de l'univers:

Nous pouvons mesurer la lumière des étoiles qui en émane, et puisque nous connaissons les principes du fonctionnement des étoiles, nous pouvons supposer combien elles contiennent des masses.
Nous pouvons mesurer leur mouvement, en sachant s'ils sont reliés par la gravité et comment exactement. Sur la base de la gravité, nous pouvons supposer la quantité de masse contenue dans ces objets.

Et nous posons une question importante: ces deux sens convergent-ils et combien?

Ils ne convergent pas, ils ne se tiennent même pas à proximité! Si vous calculez la quantité de masse en étoiles, vous obtenez un nombre, et si vous calculez la quantité de masse en fonction de la gravité, vous obtenez un nombre 50 fois plus grand. Cela se produit que vous étudiez les petites galaxies, les grandes galaxies ou les groupes et amas de galaxies.

Il s'avère une chose assez importante: soit 98% de toute la matière de l'Univers n'est pas contenue dans les étoiles, soit notre idée de la gravité est incorrecte. Examinons la première option, car nous avons beaucoup de données à ce sujet.

Il peut y avoir pas mal de choses en plus des étoiles elles-mêmes, qui composent la masse des galaxies et des amas, notamment:

des morceaux de matière non lumineuse, tels que des planètes, des lunes, des petits satellites, des astéroïdes, des blocs de glace, etc.;
gaz interstellaire neutre et ionisé, poussière et plasma;
trous noirs;
les restes d'étoiles telles que les naines blanches et les étoiles à neutrons;
étoiles très faibles et étoiles naines.

Le fait est que nous avons mesuré un grand nombre de ces objets et la quantité totale de matière normale (composée de protons, de neutrons et d'électrons) dans l'Univers à partir de diverses observations indépendantes, y compris l'abondance d'éléments lumineux, le rayonnement de fond micro-ondes cosmique, les structures à grande échelle de l'Univers, etc., grâce à l'astrophysique observations. Nous avons même limité assez précisément la contribution des neutrinos; et c'est ce que nous avons appris.

Environ 15 à 16% de la quantité totale de matière dans l'Univers est constituée de protons, de neutrons et d'électrons, et la plupart se trouve dans le gaz et le plasma interstellaires (et intergalactiques). Il y a peut-être encore 1% sous forme de neutrinos, et le reste est dans la masse, qui n'est pas constituée de particules présentes dans le modèle standard.

C'est le problème de la matière noire. Il est possible que l'ajout d'une nouvelle forme invisible de matière ne soit pas une solution, mais simplement les lois de la gravité à grande échelle ne fonctionnent pas de cette façon. Permettez-moi de vous raconter un bref historique du problème de la matière noire et de ce que nous en avons appris au fil du temps.

La formation de structures à grande échelle était initialement mal conçue. Mais à partir des années 1930, Fritz Zwicky a commencé à mesurer la lumière des étoiles provenant des galaxies en grappes, ainsi que la vitesse des galaxies individuelles les unes par rapport aux autres. Il a noté la grande différence mentionnée ci-dessus entre la masse présente dans les étoiles et la masse qui doit être là pour relier les amas entre eux.

Ce travail est généralement ignoré depuis près de 40 ans.

Lorsque nous avons commencé à effectuer des observations cosmologiques à grande échelle dans les années 1970, telles que PSCz, leurs résultats ont montré qu'en plus du problème de la dynamique des amas de Zwicky, les structures que nous avons observées avaient besoin d'une source de masse non baryonique invisible pour que ces structures existent. (Ces résultats ont depuis été améliorés par des observations telles que 2dF, ci-dessus, et SDSS.)

Toujours dans les années 1970, le travail de Vera Rubin, original et très influent, a attiré une nouvelle attention sur la rotation des galaxies et sur le problème de la matière noire clairement démontré par eux.

Sur la base des données connues sur la loi de la gravité et des observations sur la densité de matière normale dans les galaxies, on pourrait s'attendre à ce que, en s'éloignant du centre d'une galaxie spirale en rotation, les étoiles tournant autour de son centre ralentissent leur vitesse. Cela devrait rappeler un phénomène dans notre système solaire, lorsque Mercure a une vitesse orbitale plus élevée, alors Vénus a cette vitesse moins, Mars encore moins, etc. Mais dans les galaxies tournantes, il s'avère que la vitesse de rotation des étoiles reste constante si vous vous éloignez de plus en plus du centre, ce qui suggère soit qu'elle contient plus de masse que ce qui peut être contenu dans la matière normale, soit que les lois de la gravité exigent améliorations.

La matière noire était le leader parmi les solutions proposées à ce problème, mais personne ne savait si elle était baryonique ou non, quelles caractéristiques de température elle avait et si elle interagit avec elle-même et avec la matière normale. Nous avions des limites sur ce qu'elle ne pouvait pas faire, et quelques premières simulations prometteuses, mais rien de particulièrement convaincant. Et puis des alternatives ont commencé à apparaître.

MOND, ou MOdified Newtonian Dynamics, une dynamique newtonienne modifiée, a été proposée au début des années 1980 comme explication expérimentale et empirique de la rotation des galaxies. Pour les petites structures à l'échelle galactique, cela fonctionnait bien, mais ne pouvait pas faire face aux grandes échelles. Elle ne pouvait pas expliquer les amas galactiques, les structures à grande échelle et l'abondance des éléments légers, entre autres.

Et bien que les spécialistes de la dynamique des galaxies se soient emparés de MOND, car il expliquait mieux les courbes de rotation des galaxies que la matière noire, tout le monde était très sceptique, et pas en vain.

Double quasar, le tout premier objet à subir une lentille gravitationnelle

En plus des échecs avec des structures plus grandes que les galaxies individuelles, la théorie s'est avérée être une théorie de la fiabilité peu fiable. Il n'était pas relativiste et ne pouvait pas expliquer la flexion de la lumière des étoiles sous l'influence de la masse, le changement gravitationnel dans le temps et le décalage vers le rouge, le comportement des doubles pulsars ou tous les autres phénomènes gravitationnels relativistes, dont la conformité avec les prédictions d'Einstein a été confirmée. Le Saint Graal de MOND - quelque chose que les adhérents de la matière noire exigeaient, y compris moi - était une version relativiste qui pourrait expliquer les courbes de rotation des galaxies ainsi que tous les autres succès de la théorie de la gravité d'aujourd'hui.

Récemment, la NASA a publié un ensemble d'images du télescope. Hubble, qui a regardé encore plus loin dans le passé de l'Univers en raison du phénomène de lentille gravitationnelle, une conséquence de la théorie de la gravité d'Einstein. MOND ne peut pas expliquer ce phénomène tel qu'il est observé: pour aucune des galaxies cristallisées, plusieurs images, étirement ou amplitude de la flexion de la lumière.

Tout cela nécessite de la matière noire ou une source de masse invisible, qui ne se compose d'aucun modèle standard connu de particules. Mais ce n'est pas la seule preuve dont nous disposons qui réfute des alternatives à la théorie d'Einstein ou même des changements hypothétiques qui n'ont pas encore été découverts, ce qui nous permettra de reproduire MOND.

Au fil des ans, la matière noire a remporté de nombreux succès cosmologiques. Au fur et à mesure que la compréhension des structures à grande échelle de l'Univers de mauvaise à bonne s'améliorait et que la mesure exacte du spectre de puissance de la matière (ci-dessus) et des fluctuations du rayonnement de fond micro-ondes cosmique (ci-dessous) apparaissait, il a été constaté que la matière noire fonctionne bien à grande échelle.

En d'autres termes, les nouvelles observations - tout comme les observations faites pour la nucléosynthèse du Big Bang - correspondaient à l'Univers, qui contient cinq fois plus de matière noire (non baryonique) que l'ordinaire.

Puis, en 2005, des preuves ont été découvertes. Nous avons vu deux amas galactiques lors de la collision, ce qui signifie que lorsque nous confirmerons la théorie de la matière noire, nous verrons comment la matière baryonique - gaz interstellaire et intergalactique - entre en collision et se réchauffe, et la matière noire et le signal gravitationnel doivent la traverser. et ne ralentissez pas. Ci-dessous, vous pouvez voir les observations dans la gamme de rayons X de l'amas de Bullet en rose, sur lesquelles la lentille gravitationnelle représentée en bleu est superposée.

Ce fut une grande victoire pour la matière noire et un grand défi pour tous les modèles de gravité altérée: si la matière noire n'existait pas, comment le cluster aurait-il deviné «séparer la masse et le gaz» après la collision, mais pas avant?

Cependant, les petites échelles sont toujours un problème pour la matière noire; elles n'expliquent toujours pas la rotation des galaxies individuelles ainsi que MOND. Et grâce à sa version relativiste, TeVeS, formulée par feu Jacob Bekenstein, tout ressemble à MOND a une chance.

La lentille gravitationnelle (réalisée par la matière ordinaire) et certains phénomènes relativistes peuvent être expliqués à son aide, et enfin, une manière compréhensible est apparue pour distinguer les deux théories: il fallait trouver un phénomène observable dans lequel les prédictions de TeVeS seraient différentes des prédictions de la relativité générale. Étonnamment, une telle situation existe dans la nature.

Étoiles à neutrons rotatives - les restes d'étoiles ultramassives qui se sont transformées en supernova et ont laissé derrière le noyau atomique de la masse solaire - de minuscules objets, à seulement quelques kilomètres de diamètre. Imaginez un objet 300 000 fois plus lourd que notre planète, comprimé au cent millionième de la Terre! On peut imaginer qu'à proximité de ces gars les champs gravitationnels deviennent vraiment intenses, et nous donnent certains des tests les plus convaincants dans le domaine des champs forts et de la théorie de la relativité.

Il arrive que dans une étoile à neutrons ses "rayons" axiaux soient dirigés directement sur nous, et qu'ils "pulsent" chaque fois que l'étoile termine sa rotation - et de si petits objets peuvent le faire jusqu'à 766 fois par seconde! (Dans le cas de telles pulsations, les étoiles à neutrons sont appelées pulsars). En 2004, un système encore plus rare a été découvert: un double pulsar!

Au cours des dix dernières années, la danse gravitationnelle étroite de ce système a été observée, et le GRT d'Einstein a subi un test sans précédent. Vous voyez, lorsque des corps massifs se déplacent sur des orbites les uns autour des autres dans des champs gravitationnels très puissants, ils doivent émettre une quantité très spécifique de rayonnement gravitationnel. Et bien que nous ne disposions pas de la technologie pour mesurer directement ces ondes, nous avons la capacité de mesurer la réduction de l'orbite due à ce rayonnement! Michael Kramer de l'Institut de radioastronomie. Max Planck était l'un des scientifiques qui a travaillé sur ce cas, et voici ce qu'il a dit à propos des orbites dans ce système:

Nous avons constaté que cela entraînait une diminution de l'orbite de 7,12 millimètres par an, avec une erreur de neuf millièmes de millimètre.

Et que peuvent dire TeVeS et GTR à propos de cette observation?

Il est conforme à la théorie de la relativité de 99,95% (avec une erreur de 0,1%) et - préparé - élimine toutes les incarnations physiquement significatives du TeVeS de Bekenstein. Comme l'a déclaré le scientifique Norbert Wex avec une brièveté sans précédent:

De notre point de vue, cela réfute TeVeS.

En fait, la simulation la plus précise de la formation de structures (utilisant le GR et la matière noire) dans l'histoire a récemment été publiée, et elle est cohérente avec toutes les observations compatibles avec nos capacités techniques. Regardez cette vidéo incroyable de Mark Vogelsberger et émerveillez-vous!

Et, compte tenu de tout cela, c'est pourquoi le principal rival de la matière noire a abandonné la compétition. Il a été tué non par un dogme, un consensus ou une volonté politique, mais par les observations elles-mêmes: pulsars, amas en collision, rayonnement micro-ondes cosmique, structures à grande échelle, lentilles gravitationnelles. On ne sait toujours pas pourquoi MOND se comporte mieux à l'échelle des galaxies, mais jusqu'à ce qu'elle puisse expliquer tous les autres phénomènes observés, elle restera un fantôme de la théorie.

Comment le principal rival de la matière noire est mort

La seule façon serait de changer les lois de la gravité, mais le meilleur de nos observations a noté de tels changements.

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