Pourquoi considérons-nous telle ou telle théorie ou hypothèse convaincante, et ses alternatives improbables? La réponse à cette question inquiète les philosophes des sciences depuis de nombreuses décennies: la controverse de Karl Popper et Thomas Kuhn depuis plus de 40 ans. Un exemple relativement récent pour en discuter est le développement d'idées sur la matière noire. Des signes de son existence ont été découverts dans les années 1930, mais seulement dans les années 1970, cette hypothèse a commencé à être considérée comme la principale. Pourquoi?
Le problème de la matière noire est aujourd'hui l'un des problèmes centraux tant pour l'astrophysique que pour la physique dans son ensemble. On sait que, apparemment, environ 80% de la masse des galaxies est constituée d'une substance inconnue de la science, qui ne se manifeste d'aucune façon, sauf pour sa gravité. Étonnamment, bien que les premiers signes de l'existence de cette masse, cachée à nos yeux, aient été découverts dans les années 1930, les scientifiques n'ont vraiment pas repris cette hypothèse dans les années 1970. Pourquoi est-ce arrivé? Une réponse possible est suggérée par les auteurs de l'article
How Dark Matter Came to Matter , récemment publié sur arxiv.org. Je ferai une brève relecture de ses thèses.
Le problème de la propagation de la vitesse des galaxies en amas
En 1933, le désormais célèbre article de Fritz Zwicky a été publié, dans lequel, après avoir étudié les vitesses observées du mouvement des galaxies dans le Veronica Hair Cluster, il a trouvé que leur propagation était trop grande - le cluster devrait voler en éclats, car sa masse totale apparente n'est clairement pas suffisante pour contenir de telles galaxies rapides. Deux astronomes sont arrivés à une conclusion similaire - Eric Holmberg et Sinclair Smith, qui ont étudié d'autres systèmes galactiques.
Comme l'une des explications, Zwicky a introduit l'hypothèse de la matière noire - une substance invisible qui crée une gravité supplémentaire et empêche les amas de se disperser. Cependant, une discussion sérieuse de ces observations n'a commencé qu'après deux décennies.
À la fin des années 1950, des mesures plus précises des amas galactiques sont apparues, confirmant les observations des années 1930 et les rendant plus approfondies. Puis en 1958, Victor Hambardzumyan a avancé une hypothèse alternative: ce que nous voyons n'est pas un état d'équilibre. Les galaxies se séparent vraiment, nous avons eu la chance de les observer à un moment où elles sont encore relativement proches les unes des autres.
Cette hypothèse, cependant, avait un gros problème. Selon les estimations, l'expansion des galaxies devrait se produire dans des dizaines ou des centaines de millions d'années, ce qui est des centaines de fois moins que l'âge de l'Univers. À notre époque, il ne devrait pas y avoir un seul amas galactique. Mais nous voyons qu'il y a en fait beaucoup de clusters.
Quoi qu'il en soit, l'idée que la substance visible ne représente qu'un cinquième de la masse totale ne semblait pas moins radicale, de nombreuses explications alternatives ont surgi. Ils ont essayé d'expliquer la masse cachée avec d'énormes zones hypothétiques d'hydrogène ionisé, un grand nombre de galaxies naines, la nécessité de modifier les lois de la gravité, la haute densité de rayonnement gravitationnel, l'existence de trous noirs reliques, de neutrinos massifs et, bien sûr, de simples erreurs d'observation.
Le problème des courbes de rotation des galaxies
Dans le même temps, un problème s'est posé dans un domaine de l'astronomie complètement différent, qui pourrait également être résolu par l'hypothèse de la matière noire. Dans les années 1950 et 1960, la radioastronomie se développait activement, ce qui permettait de «voir» de l'hydrogène neutre jusque-là invisible sur la base de la célèbre ligne de 21 cm. Avec son aide, la vitesse de rotation des gaz dans les galaxies a été mesurée et leurs courbes de rotation ont été construites - la dépendance de la vitesse de rotation des étoiles et des gaz autour du centre de la galaxie sur la distance à ce centre.
Et au début des années 1970, on a découvert que ces courbes étaient trop «plates». Il était prévu que, conformément aux lois de Kepler, les vitesses diminueraient en s'éloignant du groupe principal de masse visible, mais elles restaient presque constantes. Il y avait un problème d'où venait la gravité "supplémentaire", fournissant une vitesse plus élevée.
La situation est cependant ambiguë. Bien qu'il ait été explicitement déclaré dans certains travaux que les courbes de rotation observées peuvent s'expliquer par une certaine masse supplémentaire non accessible à l'observation directe, ce point de vue n'a pas prévalu. Une partie du problème était qu'il y avait beaucoup de modèles de rotation des galaxies et qu'en variant les paramètres, il était possible d'obtenir un accord relativement bon avec les courbes observées.
Eh bien, même si l'hypothèse de la matière noire pouvait résoudre les deux problèmes à la fois, ce n'était qu'une des nombreuses hypothèses possibles, à l'époque peu convaincante et non sans inconvénients. Et, en général, peu ont considéré ces deux problèmes ensemble.
Problèmes de cosmologie
Un changement significatif dans la perception de l'hypothèse de la matière noire s'est produit en raison du développement d'un champ complètement différent - la cosmologie.
Au début du XXe siècle, la plupart des scientifiques pensaient que notre galaxie est l'univers entier. Mais au milieu du siècle, c'est devenu clair: c'est loin d'être le cas. La même radioastronomie a conduit à la découverte d'un grand nombre de galaxies, puis en 1963, d'objets d'une toute nouvelle nature - quasars, objets super brillants lointains qui existaient à l'aube de l'Univers. Il est devenu clair que l'Univers n'est pas statique, mais évolue en quelque sorte. La cosmologie a donc vu le jour.
La tâche principale de la cosmologie était de découvrir dans quel scénario l'univers se développe. Selon le modèle le plus populaire, portant le nom de Friedman, il existe trois versions de l'univers: plate, ouverte et fermée. Lequel d'entre eux correspond à notre Univers dépend des paramètres dans les équations. Ces paramètres doivent, bien entendu, être déterminés à partir d'observations, et le principal est la densité de matière dans l'Univers.
Le plus attrayant - principalement à partir de certains sentiments esthétiques abstraits - pour de nombreux cosmologistes était un modèle d'un univers fermé. Pour cela, la densité de la substance qu'il contient doit être de l'ordre de 10
−29 g / cm³. En fait, l'estimation de la masse apparente était cent fois plus petite - 10
−31 g / cm³. Il était impossible d'ignorer une telle divergence.
Combiner trois problèmes en un et résoudre
Et ici, les cosmologistes sont venus à la rescousse et sont venus avec des problèmes bien connus avec les courbes de rotation et la propagation des vitesses des galaxies en amas. En 1974, Jim Peebles, Jerry Ostriker et Amos Yahil ont tout rassemblé et ont montré que l'hypothèse de la matière noire résout les trois problèmes. L'élégance de cette conclusion, cependant, a été éclipsée par le fait que, même en tenant compte de la masse cachée des galaxies, la densité de l'Univers s'est révélée être cinq fois inférieure à celle requise pour un scénario «fermé». Cependant, ce n'était déjà pas cent fois, et avec un coefficient inférieur à 10, les astrophysiciens ont appris à mettre en place bien avant cela - mais les mesures dans ce domaine scientifique n'étaient pas toujours très précises.
La même conclusion a été simultanément tirée par un autre groupe de scientifiques - le groupe estonien de l'Observatoire de Tartu composé de Jaan Einasto, Ants Kaasik et Enna Saar. Leur article est paru dans la revue Nature en même temps que l'article des Américains, bien qu'ils l'aient envoyé quelques semaines plus tôt.
Quoi qu'il en soit, ce sont les cosmologistes et leur domaine scientifique jeune et en développement rapide qui sont finalement devenus la «colle» qui combinait des preuves disparates et peu convaincantes en une théorie unique et assez cohérente, basée sur une seule hypothèse - l'hypothèse matière noire.