Les observations de James-Webb réfutent-elles la théorie de la matière noire au profit de Mond ?

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[EN VIDÉO] Les 20 ans de Futura avec Françoise Combes
  2021 c’est l’année des 20 ans de Futura ! À cette grande occasion, nous avons demandé à nos parrains de s’exprimer sur le sujet… Françoise Combes s’est notamment prêtée à l’exercice et nous livre son analyse d’astrophysicienne sur le passé, mais aussi sur les 20 prochaines années. 

On a donné en 2019 le prix Nobel de Physique au cosmologiste James Peebles, que beaucoup considèrent comme l’un des principaux pères du Modèle cosmologique standard avec matière noire et une constante dans les équations de la relativité générale notée lambda (Λ en grec ancien) qu’Einstein avait été le premier à introduire dans le tout premier modèle de cosmologie construit à partir de sa théorie relativiste de la gravitation en 1917. Cette constante accélère depuis quelques milliards d’années le cosmos observable alors qu’il devait décélérer depuis le Big Bang, du moins le croyait-on.

Le Modèle cosmologique standard est pour ces raisons appelé modèle ΛCDM, CDM étant acronyme en anglais de Cold Dark Matter, que l’on peut traduire par matière noire ou sombre. On abrège aussi la présence de lambda en parlant de la présence d’une énergie noire, ce qui n’est pas forcément la même chose.

Depuis 13,8 milliards d’années, l’Univers n’a cessé d’évoluer. Contrairement à ce que nous disent nos yeux lorsque l’on contemple le ciel, ce qui le compose est loin d’être statique. Les physiciens disposent des observations à différents âges de l’Univers et réalisent des simulations dans lesquelles ils rejouent sa formation et son évolution. Il semblerait que la matière noire ait joué un grand rôle depuis le début de l’Univers jusqu’à la formation des grandes structures observées aujourd’hui. © CEA Recherche

Les observations du rayonnement fossile par le satellite Planck soutiennent, notamment, fortement le Modèle cosmologique standard. Certains peuvent donc être troublés par les déclarations faites sur son compte Twitter par le célèbre astrophysicien et cosmologiste états-uniens Stacy McGaugh. Celui-ci est bien connu pour ses travaux basés sur la théorie Mond, acronyme de Modified Newtonian Dynamics en anglais, et qui étudie donc les galaxies, la matière noire et des théories de la gravité modifiée en tant qu’alternative à l’existence de la matière noire. On lui doit avec l’astrophysicien Benoît Famaey un article de fond sur Mond pour Living Reviews in Relativity.

Ces déclarations accompagnent l’annonce de la découverte dans les premières images du télescope spatial James-Webb (JWST) de deux galaxies dont l’une est la plus lointaine connue à ce jour (Il est possible que le télescope Subaru ait détecté une galaxie plus lointaine encore cependant) ou pour le moins qui bat le record en propre au télescope Hubble à ce sujet. Comme Futura l’expliquait dans un précédent article, elles ont reçu la dénomination de Glass-z13 et Glass-z11. Rappelons que les cosmologistes ont l’habitude d’exprimer une distance pour les galaxies à la Voie lactée au moyen d’un paramètre noté « z » et qui est une mesure de leur décalage spectral vers le rouge ; plus z est élevé, plus la galaxie est lointaine.

Des galaxies massives qui se forment vite grâce à Mond

L’existence de Glass-z13 et Glass-z11, bien qu’avancée comme probable dans un article déposé sur arXiv, reste encore à être confirmée pleinement mais si les astrophysiciens n’ont pas fait d’erreurs, nous serions en présence sur les images du JWST de deux galaxies contenant déjà l’équivalent d’environ un milliard de masses solaires sous forme d’étoiles telles qu’elles étaient entre 300 et 400 millions d’années après le Big Bang.

Or voilà donc que Stacy McGaugh explique en détail que des galaxies aussi massives observées aussi tôt dans l’histoire du cosmos observable ne sont pas vraiment compatibles avec le Modèle cosmologique standard avec matière noire, bien qu’il reconnaisse clairement que rien ne le prouve encore rigoureusement, et que plusieurs de ses collègues sont étonnés, voire choqués, car ils ne s’attendaient pas à voir des galaxies de cette taille si tôt dans l’histoire du cosmos observable.

Pas Stacy McGaugh, pour qui la découverte de ces galaxies avait été annoncée depuis longtemps. On pouvait la déduire en particulier pour la première fois d’une publication datant d’il y a presque 25 ans par son collègue Robert H. Sanders, professeur émérite à l’Institut d’astronomie Kapteyn, à l’Université de Groningue aux Pays-Bas.

Et c’est là que ça devient encore plus intéressant car cette prédiction découlait de Mond justement !

Le JWST n’en est encore qu’au début de ses observations mais ce que laisse entendre McGaugh est qu’il est possible que l’on voit déjà avec lui le début de la confirmation d’une tendance déjà présente depuis quelques temps, c’est-à-dire une tension de plus en plus forte entre les prédictions du Modèle cosmologique standard et les observations des galaxies primitives au point que l’on pourrait bientôt aboutir à une réfutation de l’existence de la matière noire et une confirmation de la théorie Mond.

En 2016, Stacy McGaugh donnait cette conférence sur les raisons qui ont poussé des chercheurs comme lui à se tourner vers la théorie Mond proposée au début des années 1980 par physicien israélien Mordehai Milgrom. Stacy McGaugh était un fervent partisan de l’existence de particules de matière noire au début de sa carrière et c’est donc à reculons, en constatant des contradictions entre les prédictions issues de la théorie de la matière noire dans le monde des galaxies et, au contraire, les succès rencontrés naturellement par le cadre général posé par Milgrom modifiant les lois de la mécanique céleste de Newton, que Stacy McGaugh, tel Planck lors de sa découverte de la mécanique quantique, s’est résigné à admettre qu’il fallait changer les lois fondamentales de la gravitation et pas introduire de nouvelles particules en astrophysique. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © TEDx

Du Modèle standard de la physique des hautes énergie à celui de la cosmologie

Nous n’en sommes pas encore à une révolution, mais il semble important de se pencher un peu plus sur les raisons qui font qu’elle pourrait arriver. Faisons quelques rappels pour cela. On peut les trouver aussi avec bien plus de détails dans la vidéo TEDx ci-dessus et dans la mise en forme de McGaugh de ce qu’il disait sur Twitter.

Au cours des années 1980, surfant sur la vague de succès impressionnant du Modèle standard de la physique des hautes énergies avec la découverte des bosons W et Z, beaucoup d’astrophysiciens et de cosmologistes pensent que les extensions de ce modèle basées sur les méthodes qui ont fait son succès impliquent qu’il doit exister de nouvelles particules douées de masses, ne pouvant émettre de la lumière directement, et dont les quantités laissées par le Big Bang sont en mesure d’expliquer les vitesses anormalement élevées des étoiles dans les galaxies, et des galaxies dans les amas de galaxies qui se comportent tous comme si beaucoup plus de matière non-lumineuse que celle présente sous forme d’étoile était présente.

Ils commencent alors, comme le cosmologiste Carlos Frenk, à élaborer et à réaliser des simulations numériques expliquant la naissance des étoiles, des galaxies et des grandes structures qui les rassemblent que l’on commence à explorer de plus en plus intensivement. Ces simulations vont remporter beaucoup de succès mais aussi quelques échecs rendant les chercheurs perplexes.

Les années 1990 à 2000, avec les observations du télescope Hubble et celles en partie de satellite comme Cobe et WMap concernant le rayonnement fossile, vont montrer, pour le premier, beaucoup d’exemples de galaxies en collision qui fusionnent, et pour les seconds, que l’on ne peut pas se passer de la matière noire pour faire naitre rapidement les galaxies observées.

Ces observations jointes à des simulations numériques conduisent à tenir dans les grandes lignes les raisonnements suivants.

Le rayonnement fossile, la plus vieille lumière de l’Univers observable émis 380.000 ans après le Big Bang présente de très faibles fluctuations de température sur la voûte céleste. Ces fluctuations sont des manifestations aussi de fluctuations de densité au moment où la pression du rayonnement pendant le Big Bang s’opposait à l’effondrement des régions de surdensité de matière chargée, comme les protons et les électrons.

Si l’on suppose uniquement la présence de la matière normale, ces surdensités sont trop faibles pour produire un effondrement gravitationnel rapide et avec l’âge de l’Univers observable actuel, on ne devrait pas voir de galaxies. Mais tout change avec des surdensités supplémentaires de matière noire qui ne sont pas sensibles à la pression du rayonnement électromagnétique car ne possédant pas de charge électrique ou très, très faiblement.

Les surdensités de matière noire qui, en plus, dominent en masses celles de la matière ordinaire, commencent à s’effondrer plus tôt et plus vite en entrainant avec elles sous l’effet de la gravité celles de matière normale, et les simulations numériques avec cette matière noire prédisent bien la présence précoce des galaxies.

On parle de matière noire froide pour signifier que les particules de matière noire, qui peuvent être aussi bien très massives que très légères (exemple des Wimps dans le premier cas ou de axions dans le second), se déplacent lentement au sortir du Big Bang. Or, qui dit faibles vitesses pour les particules d’un gaz, dit faible température pour ce gaz.

La matière noire froide donc lente doit donc s’effondrer d’abord en étoiles qui se rassemblent ensuite en galaxies et, enfin, en amas de galaxies tombant eux-mêmes au cœur de distributions de matière noire formant finalement des filaments à grandes échelles.

Les premières galaxies formées sont d’abord des naines, probablement pas très loin en taille des amas globulaires et elles entrent ensuite en collision pour former des galaxies plus grandes qui vont attirer à leur tour les naines.

Le professeur Carlos Frenk est le directeur fondateur de l’Institute for Computational Cosmology, le groupe de recherche de l’Université de Durham. Son discours explore comment l’univers est né et les progrès réalisés au cours des 30 dernières années pour mieux comprendre cette branche de la science. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © ArtichokeTrust

Stacy McGaugh rappelle qu’au début de l’exploration des scénarios avec matière noire froide, des cosmologistes comme Carlos Frenk pensaient que, selon leurs simulations, on ne verrait pas de galaxies à des distances correspondant à un z > 7 ou pour le moins très peu, car ils savaient bien qu’une limite définie n’était pas facile à déterminer. Ils avaient des raisons de penser aussi que le processus de fusion avec des galaxies naines devait prendre plusieurs milliards d’années pour faire apparaitre des grandes galaxies aussi massives que la Voie lactée ou Andromède.

Il avait donc eu plusieurs moments de perplexité grandissants au cours des dernières décennies quand on a commencé à voir des grandes galaxies déjà il y a 1 à 2 milliards d’années après le Big Bang. Ces observations s’ajoutaient à d’autres difficultés avec la théorie de la matière noire froide qui prédisait notamment que l’on devrait voir beaucoup de galaxies satellites autour des grandes galaxies. Or le compte n’y est pas.

Toutefois, Stacy McGaugh sait parfaitement aussi que, depuis les années 2000 et la montée en puissance des ordinateurs, les cosmologistes ne font plus simplement des simulations avec de la matière noire froide quand on pensait, en raison de sa domination en masse de la matière baryonique, que les simulations sans ajouter cette matière seraient suffisantes pour expliquer tout ce que l’on voyait avec les galaxies et les grandes structures les rassemblant.

On sait que la formation et l’explosion des étoiles, les trous noirs massifs accrétant de la matière et rayonnant fortement sous forme notamment de quasars peuvent affecter les distributions de matière normale et donc indirectement les distributions de matière noire qui à leur tour influencent les distributions de matière normale.

En bref, il s’est ouvert la possibilité qu’une considération, à toutes les échelles, fine et complète de la physique de la formation des galaxies puisse bel et bien rendre compte des échecs apparents de la théorie de la matière noire froide sans l’invalider.

Stacy McGaugh ne conteste pas cette situation mais il fait remarquer que cette dernière part du raisonnement va dans les deux sens. On ne sait pas vraiment où le Modèle cosmologique standard limite la masse des galaxies observées pour une époque précoce de l’histoire de l’Univers observable et donc on se doit de considérer que, même si la réfutation de la théorie de la matière noire n’est pas encore établie via cette possibilité d’observation de galaxies primitives avec le télescope JWST, elle est toujours possible et on se doit de l’examiner sérieusement.

C’est d’autant plus vrai que Mond prédit depuis longtemps que l’on devrait justement voir naturellement des grandes galaxies tôt et plus on en voit, plus c’est un conflit potentiellement sérieux avec l’existence de la matière noire.

Pourquoi tout va mieux de ce point de vue avec Mond ?

Une accélération minimale universelle et irréductible ?

Tout d’abord, dans tous les scénarios, les fluctuations de densité sont faibles au départ de sorte que ce qu’on appelle des approximations linéaires, avec des effets faibles, des équations gouvernant la naissance des galaxies et des amas de galaxies suffisent au départ pour décrire analytiquement ce qui se passe. Mais que ce soit avec la matière noire ou Mond, les forces de gravité — soit parce qu’il y a des masses importantes ou parce que la loi de la gravitation n’est plus celle de Newton ni d’Einstein — deviennent rapidement et tôt fortes pour entrer dans le régime non-linéaire et donc faire naitre rapidement les galaxies.

Avec la mécanique céleste classique, l’intensité des forces de gravitation tend vers zéro en s’éloignant d’une distribution de masse donnée. Une force cause une accélération sur une particule de matière, accélération qui doit aussi tendre vers zéro avec la distance.

Pas avec Mond qui implique une accélération minimale universelle et irréductible a0 et donc l’équivalent d’une force de gravité minimale irréductible, comme si on avait une distribution de matière noire supplémentaire irréductible en plus de la matière normale.

Selon Stacy McGaugh, les dernières observations du JWST, si elles se confirmaient, sont donc de nature à rendre de plus en plus inconfortables les tenants de la théorie de la matière noire, mais avec nuance et prudence, il rappelle que tout se joue autour de l’obtention future d’une prédiction solide des caractéristiques des premières galaxies primitives observées quelques centaines de millions d’années après le Big Bang par le modèle cosmologique standard.

Il est donc intéressant de se rappeler de ce point de vue ce qu’avait déjà expliqué aux lecteurs de Futura il y a quelques années le cosmologiste français Romain Teyssier, aujourd’hui professeur à l’Université de Princeton.

Au cours de la dernière décennie environ, un changement de paradigme s’est opéré en ce qui concerne la formation des galaxies et des amas de galaxies. La prise en compte plus fine, avec la matière baryonique et les boucles de rétroactions non linéaires qu’elle implique, a conduit à considérer les effets finalement observés de grands et précoces filaments de matière noire froide canalisant des courants de matière baryonique.

On constate alors que l’on peut faire croître beaucoup plus rapidement les galaxies qui peuvent donc être très massives moins d’un milliard d’années après le Big Bang et ce, avec très peu de fusion entre les galaxies.

Nous lui avons donc demandé son avis ainsi qu’à Françoise Combes qui connait aussi bien l’état des recherches sur la matière noire que sur Mond depuis des années, ayant même publié un ouvrage grand public sur les deux théories.

Une conférence de Romain Teyssier sur la cosmologie numérique appliquée à la naissance et l’évolution des galaxies. Les simulations débutent avec comme conditions initiales les contraintes sur les fluctuations de densité de matière environ 400.000 ans après le Big Bang telles que nous l’enseigne la carte du rayonnement fossile dressée avec le satellite Planck. Le chercheur explique surtout que, selon l’acuité de la modélisation de la physique des baryons (notamment avec une résolution de plus en plus grande en ce qui concerne les échelles d’espace et de temps dans les simulations) avec la formation des étoiles et pas seulement en tenant compte de la physique de la matière noire, une grande diversité de phénomènes et surtout de formes de galaxies apparaît. © Collège de France

Voici les réponses de Romain Teyssier :

« Je pense qu’il est trop tôt pour conclure à un problème. Ces galaxies sont possibles dans le cadre du modèle ΛCDM. Mais il est surprenant de les trouver si vite alors que le volume exploré par JWST est encore si faible.

Les filaments froids expliquent en effet comment les galaxies à haut décalage spectral vers le rouge sont si efficaces à former des étoiles. L’article parle de 109 masses solaires d’étoiles déjà formées. C’est possible dans un halo de 1010 masses solaires, ce qui est loin d’être un halo géant. La Voie lactée a un halo de 1012 masses solaires ».

Une conférence sur la matière noire et Mond de Françoise Combes en 2017. © EPPDCSI – 2017

Et voici celles de Françoise Combes :

« Les propos de Stacy sont exacts : dans le modèle Mond, on s’attend au début de l’Univers à une formation rapide des galaxies, même en l’absence de matière noire, car les fluctuations de densité sont très faibles, les forces gravitationnelles aussi, donc on se trouve dans le régime Mond fort, bien en-dessous de l’accélération limite de a0 ~ 10-10 m/s2. D’où la formation plus rapide alors que, dans le cas de ΛCDM, les halos noirs se forment avant, puis les baryons doivent tomber dans les halos noirs, mais cela se fait moins vite, car la gravité n’est pas « boostée ».

Les premiers papiers de JWST montrent en effet qu’il existe un nombre plus grand que prévu de galaxies à grand z >11.

Mais il faut être prudent, on va peut-être trouver un mécanisme qui va accélérer leur formation, peut-être que ces galaxies sont uniquement dans des surdensités (amas en formation) qui pourraient expliquer cela, etc. Personne n’a dit son dernier mot ! ».

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