La fusion des étoiles à neutrons a mis fin aux alternatives de la matière noire et de l'énergie noire

Aux derniers moments de la fusion, deux étoiles à neutrons n'émettent pas seulement des ondes gravitationnelles - il y a une explosion de puissance catastrophique, qui répond à travers le spectre électromagnétique. La différence d'heure d'arrivée entre la lumière et les ondes gravitationnelles nous permet d'en apprendre beaucoup sur l'Univers

Demandez à l'astrophysicien quel est le plus grand mystère de l'Univers aujourd'hui - et les deux réponses les plus courantes seront «matière noire» et «énergie noire». En quoi tout ce qui se compose sur Terre, les atomes, qui à leur tour sont composés de particules fondamentales, ne représentent que 5% du budget énergétique cosmique. Et soit 95% de l'énergie de l'Univers est contenue dans ces deux formes, sous la forme de matière noire et d'énergie noire, qui à ce jour n'ont pas été directement observées, ou quelque chose de radicalement faux avec notre idée de l'Univers. Des alternatives à ces théories ont été explorées pendant un certain temps et leurs différentes variantes ont conduit à des conséquences physiques légèrement différentes. Après avoir observé pour la première fois la fusion d'étoiles à neutrons et reçu des signaux sous forme d'ondes gravitationnelles et de lumière d'un spectre assez large, une grande partie de ces alternatives a été rejetée. La matière noire et l'énergie noire ont résisté à l'épreuve de l'expérience.


L'amas galactique dynamique ultramassif Abell 370 , dont la masse gravitationnelle (et pour la plupart c'est de la matière noire) est marquée en bleu

En astrophysique et cosmologie, il existe plusieurs énigmes majeures que la matière noire et l'énergie noire étaient censées résoudre. Dans la partie de la matière noire, ils sont principalement associés à la formation, la rotation et l'accumulation de galaxies, et dans une partie de l'énergie sombre, ils sont associés à la vitesse d'expansion de l'Univers et à son évolution dans le temps. Certaines observations peuvent être justifiées par un petit raffinement de la théorie de la gravité , ce qui ne nécessite ni matière noire ni énergie noire. Les personnes qui travaillent sur ces améliorations espèrent en trouver une, la bonne - celle qui peut également faire de nouvelles prédictions qui diffèrent de celles des théories de la matière noire et de l'énergie sombre - et qu'elles pourront être vérifiées.


La formation du réseau cosmique est contrôlée par la matière noire, et les structures à plus grande échelle sont contrôlées par la vitesse d'expansion et l'énergie sombre. De petites structures le long des brins se forment en raison de l'effondrement de la matière ordinaire, soumise à des interactions électromagnétiques.

Mais une modification de la gravité, qu'il s'agisse d'expliquer la matière noire ou l'énergie noire (sans parler d'expliquer les deux théories à la fois) est un jeu qui doit être joué très soigneusement. La théorie générale de la relativité d'Einstein a déjà été largement testée, et ses prédictions ont été remplies à chaque fois. En modifiant la gravité, vous changez cette théorie, il faut donc le faire pour ne pas contredire toutes les observations et mesures déjà faites. En conséquence, de nombreuses variations des changements sont entrées dans une zone encore peu testée: celle qui permet à la vitesse de gravité de changer. Dans la théorie d'Einstein, la vitesse de gravité est égale à la lumière, toujours et avec précision. Mais de nombreuses théories alternatives changent cette hypothèse.


La projection à grande échelle dans la simulation du projet Illustris à un décalage de z = 0, centrée sur l'amas le plus massif à une profondeur de 15 Mpc / h [h est le paramètre Hubble sans dimension / env. trad.]. Démontre la transition de la densité de la matière noire (à gauche) à la densité du gaz (à droite). La configuration des structures à grande échelle de l'Univers ne peut être expliquée sans matière noire, bien que des tentatives de modification de la gravité soient en cours.

On pense généralement que l'énergie sombre est une constante cosmologique et que la vitesse de la lumière et de la gravité sont également constantes (et égales l'une à l'autre). Les formulations alternatives ajoutent quelque chose de plus complexe: un champ scalaire ou un ensemble de champs supplémentaires. C'est le lieu commun des modèles de modification - tels que la covariante galiléenne , la gravité massive, la gravité avec un graviton massif , la théorie de l'éther d'Einstein , la gravité tenseur-vecteur-scalaire, la gravité de Khorava . Dans de nombreux cas, selon la façon dont le champ scalaire interagit avec le champ gravitationnel standard (tenseur) de la théorie générale de la relativité, la vitesse de la gravité est soit différente de la vitesse de la lumière soit des changements dans le temps. Mais le fait que les rayons gamma et les ondes gravitationnelles de l'événement GW170817 de fusion d'étoiles à neutrons soient venus avec une différence de 1,7 s signifie que la vitesse de gravité devrait être égale à la vitesse de la lumière avec une erreur ne dépassant pas ^10-15 .


Toutes les particules sans masse se déplacent à la vitesse de la lumière, y compris les photons, les gluons et les ondes gravitationnelles, et portent respectivement des interactions électromagnétiques, nucléaires et gravitationnelles fortes. La coïncidence pratique de l'heure d'arrivée des ondes gravitationnelles et électromagnétiques du GW170817 est extrêmement importante.

En conséquence , un grand nombre d'alternatives au GTR standard avec une énergie sombre standard ont été réfutées . Le fait que la différence de 1,7 s entre une lumière et un signal gravitationnel à une distance de 130 millions d'années-lumière soit si faible signifie que la vitesse de gravité ne peut pas changer avec le temps, ni être systématiquement supérieure ou inférieure à la vitesse de la lumière. En ajoutant un champ scalaire à la théorie de la gravité du tenseur, vous obtenez deux effets principaux:

• Un terme tensoriel de vitesse supplémentaire apparaît, augmentant la vitesse de propagation des ondes gravitationnelles.
• L'échelle de masse de Planck effective change sur les mashabs spatio-temporels, ce qui modifie l'atténuation des ondes gravitationnelles lors de l'expansion de l'Univers.

Le fait que la vitesse de la lumière et la vitesse de la gravité soient égales avec une telle précision suggère que toutes les théories avec des modifications de ce type sont sérieusement limitées, et que la plupart de ces modèles sont, en fait, réfutés.


De nombreuses modifications de la gravité qui rejettent l'énergie sombre ont été réfutées par l'heure d'arrivée des ondes gravitationnelles et électromagnétiques.

Dans le cas de la matière noire, les tentatives de création d'une gravité modifiée étaient encore pires . La plupart des modifications changent la loi d'interaction des objets massifs, qui modifie le potentiel gravitationnel dans les régions de l'espace-temps contenant la masse. Lorsque des objets se déplaçant à la vitesse de la lumière, tels que des photons ou des ondes gravitationnelles, traversent cet espace, ces signaux sont ralentis selon les règles de la relativité générale: l'effet Shapiro . À une distance de 130 millions d'années-lumière, la matière qui fait obstacle devrait retarder ce signal pendant environ trois ans, si l'idée standard de la matière noire est vraie. Mais si vous changez la gravité pour vous débarrasser de la matière noire, vous modifierez sérieusement les propriétés de la propagation des ondes gravitationnelles dans l'espace.


Lorsque la lumière, les ondes gravitationnelles ou toute particule sans masse traversent une zone d'espace contenant une grande quantité de matière, le chemin est incurvé en raison de la distorsion de cet espace, ce qui entraîne un retard dans l'heure d'arrivée. Dans la plupart des théories de la gravité modifiée, les retards des ondes lumineuses et gravitationnelles seront différents.

Les théories modifiées de la gravité sans matière noire, telles que TeVeS ou MoG / Scalar-Tensor-Vector , ont une particularité - les ondes gravitationnelles s'y propagent le long des courbes géodésiques - différents chemins dans l'espace-temps - différents de ceux suivis par les photons et les neutrinos. En bref, les ondes gravitationnelles doivent se déplacer le long de trajets déterminés uniquement par la matière normale, et les photons et les neutrinos doivent se déplacer le long de trajets déterminés par la masse efficace: la matière normale en combinaison avec des effets qui émulent la matière noire. Une telle différence entraînerait une différence dans l'heure d'arrivée des photons et des ondes gravitationnelles d'environ 800 jours, plutôt que 1,7 seconde observée en réalité.

Compte tenu de la corrélation croisée des ondes gravitationnelles et des signaux électromagnétiques, ces options sont refusées sans matière noire.


Diverses sources de masse dans NGC 4993, où les étoiles à neutrons ont fusionné, et leur influence sur le retard dans le passage des ondes lumineuses et gravitationnelles

Lorsque les ondes gravitationnelles et les photons (ondes électromagnétiques) se propagent dans l'espace, la courbure et l'expansion de l'espace les affectent exactement de la même manière. Autrement dit, pendant que vous utilisez GR. Si vous changez la théorie de la gravité - pour essayer de vous débarrasser de la matière noire et / ou de l'énergie noire, par exemple - alors seule la matière et sa masse influenceront les ondes gravitationnelles, et les effets de la modification affecteront les photons et autres particules. Comme les ondes gravitationnelles et les signaux lumineux des étoiles à neutrons fusionnées sont arrivés simultanément, ils se sont déplacés dans l'espace à la même vitesse et ont connu la même décélération. Une précision précise suffit pour exclure les principaux candidats à une théorie modifiée de la gravité sans matière noire.


Les cartes du rayonnement X (rose) et de la matière totale (bleu) de divers amas galactiques en collision montrent une nette séparation entre la matière normale et les effets gravitationnels - l'une des preuves les plus convaincantes de l'existence de la matière noire. Les théories alternatives doivent maintenant être tellement attirées que beaucoup les trouvent simplement ridicules.

Il existe encore plusieurs modèles tendus qui conservent les espoirs d'une gravité modifiée - par exemple, les théories non locales de la gravité (dans lesquelles les effets gravitationnels et la disposition des masses ne coïncident pas), ou les théories dans lesquelles les ondes gravitationnelles et les ondes électromagnétiques obéissent à des règles différentes. Mais même ces idées sont sérieusement limitées par de nouvelles observations d'ondes gravitationnelles, et elles doivent de plus en plus ressembler aux effets de la matière noire et de l'énergie sombre pour survivre. La gravité modifiée n'est pas encore tombée dans l'oubli, mais bon nombre de ses plus grands espoirs viennent de se briser. Einstein, avec sa théorie dans sa forme originale et inchangée, vit toujours.