Ceci est une traduction d'un article de Mark Anderson de New Scientist (18-24 mars 2017).
Force étonnamment attrayante
En théorie, la gravité devrait être une force prévisible. Nous la connaissons bien, grâce à elle nous sommes fermement sur Terre et notre atmosphère ne vole pas dans l'espace. Si nous prenons une plus grande échelle, alors cette force a influencé l'évolution de l'univers lui-même. Quelle insulte que parfois la gravité nous manque. Afin d'expliquer la rotation en spirale des galaxies et des amas de galaxies par gravité sous la forme sous laquelle nous la comprenons, nous devons proposer une toute nouvelle forme de matière dont personne n'a jamais été témoin de première main - la matière noire. Pour expliquer l'accélération de l'expansion de l'Univers, nous devons inventer une entité tout aussi mystérieuse - l'énergie sombre.
Mais que se passe-t-il si nous n'avons jamais complètement compris la gravité? Et si la gravité ne respecte pas les règles quelque part en dehors de notre champ de vision?
Le penser est pratiquement une hérésie, bien que de telles idées ne soient pas nouvelles. Récemment, cependant, des recherches récentes sur les galaxies et des résultats inattendus dans le domaine de l'informatique quantique nous ont poussés avec une nouvelle force à repenser notre compréhension de la gravité. De nouvelles idées radicales apparaissent dans lesquelles nos idées sur l'espace-temps et l'essence de la gravité sont profondément transformées. Il n'y a pas de place pour la matière noire dans la nouvelle image du monde, et l'énergie sombre, au lieu de résister à la gravité, peut en partie la générer.
Presque tout ce que nous savons sur la gravité nous a été donné par Isaac Newton et Albert Einstein. Newton nous a expliqué que la force d'attraction diminue inversement avec le carré de la distance, et Einstein - que la gravité apparaît à la suite de la courbure de l'espace-temps par des objets massifs.
La loi de Newton sur la gravitation universelle stipule que sur les étoiles plus éloignées du centre de la galaxie, la force de gravité est plus faible que sur les étoiles situées plus près du centre de la galaxie, donc la vitesse de la première est plus faible. Cependant, dans les années 1970, les astronomes, dont Vera Rubin, ont remarqué que la vitesse des étoiles éloignées du centre des galaxies ne diminuait pas comme prévu. Au lieu de cela, la vitesse s'est stabilisée, ce qui ne peut s'expliquer que par la présence de matière invisible entourant la galaxie et créant une attraction supplémentaire. Depuis lors, nous essayons sans succès de trouver cette affaire.
Le jeu n'est pas selon les règles
Certes, tous n'ont pas participé aux recherches. Dans les années 1980, Mordehai Milgrom, alors travaillant à l'Université de Princeton, a montré que l'on pouvait expliquer les bizarreries de la vitesse de rotation des galaxies sans la participation de la matière noire. Pour ce faire, il suffit de rejeter l'idée qu'avec des distances croissantes, la gravité se comporte toujours comme prévu par Newton et Einstein. La théorie de Milgrom, connue sous le nom de MOND (Modified Newtonian Dynamics), suggère que la gravité s'affaiblit plus facilement que Newton ne le prétendait. Dès que l'accélération d'un objet causée par la gravité tombe en dessous d'une certaine valeur, ou plutôt devient 82 milliards de fois plus faible que l'accélération de la gravité sur Terre, la gravité passe soudainement à un nouveau mode.
Milgrom a obtenu un certain succès en appliquant sa théorie aux galaxies spirales, mais MOND n'était pas largement utilisé. Pour commencer, avec son aide, il était impossible de calculer des amas de galaxies qui ne pourraient pas former des amas à proprement parler sans la participation de la matière noire ou sans apporter des changements plus radicaux à la théorie de la gravité en plus de ceux autorisés par MOND. De plus, les changements suggérés par cette théorie semblaient trop aléatoires. Pourquoi la force de gravité changerait-elle soudainement à ce point apparemment arbitraire?
Et, cependant, MOND reste à flot et dans une moindre mesure en raison du fait que la matière noire n'a jamais été détectée. "Il y a deux possibilités", explique John Moffat de l'Institut Périmètre de physique théorique de Waterloo, Canada, "soit nous trouverons une source invisible d'attraction supplémentaire et nous assurerons que Newton et Einstein avaient raison, soit nous ne trouverons rien. Dans ce cas, nous devrons affiner la gravité. "
L'année dernière, peut-être, enfin, un tournant s'est produit. Stacy McGaugh, astronome à la Case Western Reserve University de Cleveland, Ohio, et ses collègues ont revu plus de 150 galaxies spirales de la peau avec notre galaxie de la Voie lactée. Lorsqu'ils ont comparé la force d'attraction calculée avec la vitesse de rotation du disque des galaxies, ils ont constaté que plus près du bord du disque, les étoiles tournent à des vitesses anormalement élevées.
Et ça? Après tout, c'est précisément ce comportement que nous avons déjà observé à plusieurs reprises auparavant, et cela peut s'expliquer en enveloppant la galaxie d'un nuage de matière noire. Cependant, dans une évaluation statistique, McGaw a utilisé le contrôle croisé. Il a pris toute la matière visible dans toutes les galaxies et a comparé la force d'attraction de cette matière à chaque point avec la vitesse de rotation des étoiles proches. En conséquence, il a reçu une relation étonnamment étroite entre la vitesse de rotation des galaxies et la distribution de la matière visible qu'elles contiennent.
Lee Smolin, théoricien de l'Institut Périmètre au Canada, était stupéfait. Une telle relation est «équivalente à la loi de la nature», dit-il. Vous ne vous attendez pas à ce que cela se produise si autre chose que de la matière visible affecte les galaxies.
Encore plus surprenant est le fait que cette relation étroite entre la matière visible et le mouvement des étoiles reste dans un large éventail de galaxies différentes, même si la matière noire qu'elles contiennent est distribuée différemment. La matière noire ne doit pas suivre docilement la matière ordinaire. Par conséquent, soit elle interagit avec la matière ordinaire, soit elle-même est plus forte que ce que le modèle simple prédit, ou quelque chose ne va pas avec la gravité.
Le travail de McGaw n'est pas la seule raison qui nous oblige à soulever à nouveau cette question hérétique. L'un des plus gros problèmes de MOND est le comportement des amas de galaxies. Comme les étoiles au bord des galaxies, les galaxies au bord des amas se déplacent également trop vite - un fait qui s'explique par la matière noire. L'observation de l'effet de la lentille gravitationnelle (une légère courbure de lumière par le champ gravitationnel d'objets massifs) suggère que la force supplémentaire qui donne de la vitesse aux galaxies n'est pas là où se trouve la matière visible. Il est tout simplement impossible d'expliquer le comportement des amas de galaxies sans la participation de matière invisible, du moins on le croit.
L'exemple le plus célèbre est le cluster Bullet (Bullet CLuster 1E 0657-558, image de titre), nommé pour sa similitude avec l'image au ralenti d'une balle déchirant une cible. Pour de nombreux chasseurs de matière noire, c'est la meilleure preuve qu'ils ne chassent pas cette bête en vain, et elle existe. Mais Pavel Kroupa de l'Université de Bonn en Allemagne prétend le contraire - cette collision intergalactique à grande vitesse ne peut être expliquée que par la théorie MOND.
"La comparaison avec l'image d'une balle frappant une cible est certainement une blague pour les masses", dit-il. Krupa affirme que dans un laps de temps réaliste, la gravité standard est trop faible pour provoquer de telles collisions chaudes et violentes de galaxies, comme nous l'observons dans l'amas de Bullet. La matière noire dans les premiers stades d'une collision peut lui donner la vitesse élevée que nous observons, mais elle interfère déjà avec toutes les interactions ultérieures. «Le halo de matière noire ressemble à une toile», explique Krupa. "Il capture n'importe quelle galaxie sur son chemin." Par conséquent, une paire de galaxies en collision qui continuent de se déplacer à des vitesses élevées même après une collision est très difficile à expliquer. «C'est un gros, gros problème pour un modèle de cosmologie standard», explique Krupa. "Mais avec une gravité modifiée ... il n'y a pas un tel problème."
L'essence de MOND est qu'à des distances galactiques et intergalactiques, où nous ne pouvons pas mesurer directement la force de gravité, elle est plus forte que nous le pensions. Et cela, et non une matière invisible, sera l'explication la plus simple de la raison pour laquelle la matière à une telle échelle se déplace plus rapidement et entre en collision plus que ne le prédisent Newton et Einstein.
Cela ne signifie pas que la théorie MOND n'a pas de problèmes précis en ce qui concerne l'interaction au sein des amas de galaxies. Dans le groupe Bullet utilisant des télescopes, nous avons identifié deux endroits distincts où la lentille gravitationnelle est plus prononcée, ce qui signifie qu'il y a une concentration de masse plus élevée, ce qui ne coïncide pas avec la quantité de matière ordinaire que nous observons à ces endroits.
Milgrom insiste sur le fait que ce problème n'est pas une menace aussi terrible pour son modèle, comme beaucoup le pensent. "Il suffit d'une petite quantité de masse non comptabilisée, qui peut se révéler être la matière la plus ordinaire, par exemple des étoiles mortes ou des nuages de gaz froid, que nous n'avons pas encore découverts", dit-il.
Mais alors que les observations ne l'ont pas confirmé, d'autres scientifiques recherchent des solutions théoriques à ce problème. Une de ces solutions est un modèle hybride dans lequel la matière noire se comporte comme un loup-garou - elle passe librement à travers les galaxies, créant une gravité supplémentaire conforme à la théorie MOND, mais dans les amas de galaxies, elle se comporte comme de la matière noire ordinaire.
Une autre option qui est soudainement revenue à la mode est de modifier MOND. C'est exactement ce que fait Moffat. Selon lui, la force d'attraction change après l'ajout de la force de répulsion, qui à son tour dépend de la distance, à cause de laquelle, à de petites distances, la force d'attraction obéit à la loi carrée inverse de Newton, mais à la périphérie de la galaxie, elle s'affaiblit. Dans une telle image du monde, la gravité est plus forte que Newton ne le pensait, et elle se comporte comme le prévoit MOND.
Moffat prétend que sa théorie peut expliquer la rotation des galaxies et les vitesses anormales dans l'amas de Bullet. Mais la principale caractéristique de sa théorie est que près des trous noirs, les forces d'attraction sont plus fortes que même les prévisions de MOND, ce qui peut nous donner une chance de tester cette théorie.
Si nous pouvions regarder un trou noir, nous verrions un disque noir entouré d'une ombre causée par une lentille gravitationnelle extrêmement forte. En 2015, Moffat a calculé que selon sa théorie, l'ombre autour d'un trou noir supermassif au centre de la Voie lactée serait 10 fois plus grande que celle prédite par GR. Et puis Event Horizon entre en scène
Télescope (EHT) - un réseau mondial de radiotélescopes, dont le lancement est prévu pour avril de cette année, pour la première fois capable d'obtenir des images détaillées des trous noirs. Du moins théoriquement, nous pouvons observer cette ombre gonflée, si, bien sûr, elle est là du tout.
Cependant, quel que soit notre choix, la théorie MOND traditionnelle ou la gravité Moffat modifiée, il y a un énorme problème qui ne peut être ignoré - le manque flagrant d'une théorie fondamentale. Pourquoi la gravité s'écarte-t-elle soudainement du cap que Newton et Einstein ont fixé pour elle, et même, semble-t-il, à un moment aléatoire? La réponse à cette question peut être obtenue si nous révisons radicalement notre compréhension de l'essence de la gravité.
L'année dernière, Erik Verlinde de l'Université d'Amsterdam aux Pays-Bas a offert une nouvelle perspective à ce sujet. La gravité, pense-t-il, ne se pose pas d'elle-même, mais à la suite d'interactions entre des éléments d'informations quantiques enchevêtrés.
L'intrication est une connexion profonde et en même temps profondément paradoxale entre des paires ou des groupes de particules, lorsque l'exposition à une particule provoque une réaction chez d'autres, même si elles sont séparées par de grandes distances. Depuis la fin des années 1990, les physiciens ont appris à obtenir la gravité newtonienne et Einstein en utilisant des réseaux de bits quantiques intriqués. Le problème est qu'il ne fonctionne que dans l'univers théorique connu sous le nom d'espace Anti-de Sitter, qui se comporte différemment de l'univers où nous vivons.
La principale différence est que dans notre univers, le vide n'est pas si calme et immobile. Il bouillonne d'énergie sombre, une substance ou une force mystérieuse, qui serait responsable de l'accélération de l'expansion de l'espace-temps.
Au lieu d'essayer de résoudre ce problème, Ferlinde a examiné comment la gravité, causée par l'interaction entre des bits d'informations quantiques intriqués, se comporte dans un univers où il y a de l'énergie sombre. En conséquence, il a obtenu une nouvelle image de la gravité, dans laquelle l'énergie sombre donne à l'intrication des bits quantiques un peu d'élasticité supplémentaire.
«Il s'avère que l'énergie sombre est un milieu élastique», explique Ferlinde, «et si vous y ajoutez de la masse, elle déforme ce milieu.» Une élasticité supplémentaire, ajoute-t-il, créée par l'énergie sombre, alimente la force d'attraction à de grandes distances, ce qui conduit finalement à l'apparition d'effets supplémentaires à une distance qui ressemble à la théorie MOND de Milgrom.
Les idées de Ferlinde ont fait forte impression, mais on ne sait pas encore à quel point elles sont connectées. «Il part de l'énergie noire et dit que cela conduit à quelque chose qui ressemble à de la matière noire», explique Sabine Hossenfelder de l'Institut des hautes études de Francfort en Allemagne. «Il fait de son mieux pour concilier ses hypothèses avec la grande hypothèse, qui ces dernières années a gagné en popularité, selon laquelle l'espace-temps résulte de l'intrication. Mais je ne suis pas sûr qu'il y ait un besoin. "
Dans une étude récente, il a été constaté que si nous prenons le point de vue de Ferlinde sur la gravité, nous pouvons expliquer les anomalies de la lentille gravitationnelle observées près d'environ 30 000 galaxies. Mais sa théorie a été critiquée pour avoir fait des prédictions qui diffèrent réellement de MOND. Dans un travail scientifique en collaboration avec McGaugh, par exemple, il est dit que la théorie de Ferlinde diverge de MOND dans son ensemble - une explication de la rotation anormale des galaxies. De plus, sa théorie prédit le mouvement des planètes, que nous n'observons pas réellement dans notre système solaire.
Smolin, pour sa part, a proposé une tentative plus modeste de dériver la physique MOND des principes de la gravité quantique et, contrairement à la théorie de Ferlinde, ses résultats ne diffèrent pas de la théorie MOND. Aucun d'entre eux ne prétend avoir reçu une théorie complète de la gravité quantique. Mais une chose est claire - à la question de savoir pourquoi la gravité se comporte si étrangement à de grandes distances, les théoriciens ont commencé à recevoir des réponses.
"Nous ne savons pas où la théorie finale nous mènera, car nous ne l'avons pas encore apportée", explique McGaw. "Par conséquent, avant d'aller de l'avant, nous ne pouvons aller nulle part à partir du moment de la confusion et des hésitations."