DE L'ASTRONOMIE : matière noire et théorie MOND

          Dans les années trente, Fritz Zwicky (1898-1974), un astronome américano-suisse de génie, jeta un pavé dans la mare du petit Landerneau astronomique de l’époque en évoquant la possibilité de la présence d’une « matière invisible » entre les galaxies. Toutefois il reste surtout connu pour avoir été un « chasseur » de supernovas dont il fut au demeurant le premier à introduire le terme : il en découvrit plus de 150 entre 1929 et 1973 ! Il fut également le premier à prédire la transformation de certaines de ces supernovas en étoiles à neutrons et suggéra qu’elles pouvaient être à l’origine de rayons cosmiques. Ces approches novatrices furent indéniablement de grandes avancées pour la science. Malheureusement, son hypothèse sur la matière invisible, remarquable pour l’époque (nous sommes à moins de dix ans de la démonstration par Edwin Hubble que l’Univers existe en dehors de notre galaxie) fut hélas oubliée durant plus de 40 ans…

Des observations déconcertantes

          En 1933, donc, Zwicky s’intéresse à l’amas de Coma, un groupe de sept galaxies dont il essaie d’estimer les vitesses de rotation et, là, grosse surprise, ses calculs rapportent des vitesses bien plus élevées que prévues. Il recommence

ses calculs plusieurs fois mais rien à faire : il retombe sur les mêmes chiffres. Du coup, son observation va à l’encontre de l’effet attendu qui veut que la vitesse de rotation des étoiles décroisse en fonction de leur éloignement du centre galactique. Pour expliquer la différence de ce qui est observé par rapport à ce qui était attendu, il faut imaginer la présence d’une masse environ 400 fois plus importante que celle qui est visible. Tout se passe comme si les régions éloignées (les « bords ») des centres galactiques étudiés étaient en fait encore centraux et entourés par une masse énorme de « matière invisible » expliquant le phénomène.

          Zwicky s’empressa de transmettre ses résultats à l’ensemble de ses collègues mais il ne fut pas écouté : il est vrai que l’homme était un peu spécial… Doté d’un caractère épouvantable (c’était la terreur des étudiants), n’hésitant jamais à dire ce qu’il pensait des uns et des autres (qui était souvent négatif) et défendant de plus des théories parfois complètement farfelues, il était à part dans cette communauté scientifique encore très conservatrice. N’obtenant aucune aide qui aurait pu conforter (ou non) la justesse de son observation, Zwicky retourna se consacrer à ses chères supernovas et, durant près de quarante ans, on oublia le sujet.

             Nous sommes à présent en 1978, toujours aux USA, mais avec l’astronome Véra Rubin qui s’intéresse tout spécialement à M 31, la galaxie d’Andromède, et elle aussi a des ennuis avec la vitesse de rotation des étoiles périphériques autour du

centre galactique : elles tournent bien trop vite et, comme les lois de la gravitation sont partout les mêmes, cela veut dire que ces astres « périphériques » ne le sont pas. Une masse non visible empêche les étoiles étudiées de ralentir, preuve que ces étoiles ne sont pas vraiment à la périphérie de la galaxie et que le halo de celle-ci se prolonge donc… par quelque chose. Cette fois, pas question d’oublier l’étude de Rubin : l’astronome n’est pas marginalisée et les outils d’investigation sont devenus plus précis. Il ne s’agit pas d’une erreur de calcul ce qui est d’ailleurs rapidement confirmé par d’autres observations : le halo de la galaxie d’Andromède est peut-être beaucoup plus large que prévu et cela est probablement le cas pour nombre d’autres galaxies. Elargi mais par quoi ? Car on a beau chercher dans tous les sens, on ne voit et on n’enregistre jamais rien.

Matière noire

          Ce composant invisible qui entoure certaines galaxies de façon plus ou moins importante et fait que les étoiles qu’on croyait en bordure galactique ne le sont pas, nul ne sait ce que c’est. C’est la raison pour laquelle la communauté scientifique le baptisa « matière noire » (ou parfois matière sombre chez les anglo-saxons).

      Les années passant et les calculs s’affinant avec l’augmentation des performances des outils d’étude, on arriva à la conclusion que tout l’univers visible, depuis la plus gigantesque des galaxies au plus petit nuage de gaz et de matière, ne représente que 4,9 % de l’ensemble de la matière existante… Tout le reste relève de la matière noire (26,8 %) et de son corollaire, l’énergie sombre (68,3 %).

         Deux types de particules ont très vite été présentés comme des candidats possibles :

• Les neutrinos : il s’agit de particules émises lors d’une désintégration bêta et qui ont la particularité de très peu interagir avec les autres particules. Jusqu’à la fin du siècle dernier, on pensait que le neutrino n’avait pas de masse avant d’envisager finalement qu’il en possède une mais très faible. Toutefois les neutrinos sont les particules les plus abondantes de l’univers après les photons. Malheureusement, après calculs approfondis, la masse totale de ces neutrinos reste encore trop peu importante : ils pourraient au mieux représenter 18 % de la masse totale de l’univers.

• Et les WIMPS (Weakly interactive massive particles), des particules lourdes interagissant faiblement avec la matière dont le représentant le plus célèbre est le neutralino, particule totalement hypothétique et faisant l’objet de nombreux efforts de recherche pour l’heure toujours infructueux.

          Du coup, on se trouve face à un problème quasi-insoluble tant que l’on n’aura pas isolé la particule dite « exotique » responsable de la présence de cette partie cachée de l’univers. À moins que…

D’autres explications sont-elles possibles ?

       À moins que d’autres explications puissent être avancées, oui, mais lesquelles ? Les scientifiques, échaudés par l’absence de résultats quant à l’identification d’une particule encore inconnue, étaient prêts à accepter une autre explication et c’est précisément ce que leur proposa l’Israélien Mordehai Milgrom en 1983.

La théorie MOND

          Afin de résoudre le problème de cette matière noire que personne n’arrive à identifier, Milgrom propose de prendre le problème par un autre bout : il s’agit ni plus ni moins que d’apporter une petite modification à la théorie de Newton. Évidemment, cette approche chagrine les tenants d’une physique établie depuis des siècles et dont on a depuis longtemps admis le caractère universel…

          Milgron a baptisé sa théorie MOND pour « MOdified Newton Dynamics », en français « dynamique de Newton modifiée ». Cette théorie répond facilement à l’absence de découverte de la matière noire puisqu’elle suppose que celle-ci n’existe pas… En fait, selon Milgron, l’hypothèse de l’existence de cette matière noire si insaisissable est due à une erreur d’interprétation (mineure) des lois de la gravitation universelle. L’essentiel de la théorie repose en effet sur le fait que la deuxième loi de Newton sur la gravitation n’a été vérifiée que pour des accélérations élevées, vérification partielle donc.

            Rappelons que la deuxième loi de Newton s’énonce initialement ainsi : « Les changements qui arrivent dans le mouvement sont proportionnels à la force motrice et se font dans la ligne droite dans laquelle cette force a été imprimée. » On peut la formuler autrement en expliquant que la force d’attraction entre deux corps décroit comme le carré de la distance qui les sépare. Milgron propose une petite modification à cette loi en expliquant que, au delà d’une certaine limite, cette force d’attraction ne décroit plus QUE comme l’inverse de leur distance… et cela change bien des choses, notamment l’existence de la matière noire. En effet, la modification de la deuxième loi newtonienne explique alors parfaitement les vitesses plus élevées qu’attendues des étoiles situées en périphérie galactique et donc à des distances très importantes par rapport au bulbe central : à ces si grandes distances l’attraction gravitationnelle est infime… Or, si la loi de Newton s’est toujours trouvée parfaitement validée par les expériences classiques de physique, elle n’a jamais été expérimentée – et pour cause – dans des situations où l’accélération est presque nulle comme celle retrouvée aux distances immenses évoquées.

          Comment choisir entre la possible existence d’une particule que l’on n’a jamais pu mettre en évidence en dépit de son extrême abondance (supposée) et une théorie qui, pour expliquer les chiffres observés, modifie tout simplement les lois de la physique ?

la théorie MOND est-elle réellement valide ?

          Certains scientifiques crurent prouver la non-validité de MOND en se fondant sur l’observation de la collision d’amas galactiques. Voici comment.

•             Si la matière noire n’existe pas, la matière dominante d’un amas galactique est du gaz. En effet, un amas est composé, bien sûr, de galaxies c’est-à-dire de milliers de milliards d’étoiles mais surtout de beaucoup, beaucoup de gaz remplissant l’espace intergalactique et s’étendant bien au-delà. Lors d’une collision entre deux de ces amas, les étoiles sont si éloignées les unes des autres qu’à de rarissimes exceptions près, elles n’interagissent pas au contraire des deux nuages de gaz. De ce fait, l’essentiel de la masse se trouvera dans la région centrale puisque la masse du gaz s’interpénétrant (donc freiné) est supérieure à celle des étoiles, non ralenties, qui se retrouvent alors de part et d’autre du centre.

•            Dans le cas d’un choc entre deux amas avec matière noire, celle-ci va se comporter comme les étoiles, c’est-à-dire peu interagir. Au centre, il y aura bien la masse du gaz mais l’essentiel de la masse se retrouvera de part et d’autre (puisque la matière noire est six fois plus massive que la matière ordinaire).

             En résumé, lors du choc de deux amas de galaxies, si la masse résultante est centrale, cela infirmera l’existence de matière noire (seulement du gaz) tandis que si la masse se trouve de part et d’autre du centre de la collision, cela prouvera l’existence d’une masse invisible, donc de la matière noire.

         Cette preuve de l’existence de la matière noire a été établie par l’observation de la collision de l’amas du Boulet (ou amas de la Balle, IE 0657-59), observable en regard de la constellation de la Carène. Il s’agit en fait d’un groupe de deux amas de galaxies entrés en collision il y a 150 millions d’années. Après étude approfondie, les scientifiques sont arrivés à bien localiser où se trouvent les masses les plus importantes : elles sont là où sont les galaxies et non pas où se trouve le gaz. De plus, les deux amas sont à présent séparés par plus de trois années-lumière et la masse totale calculée en fonction de leur vitesse et de leur distance représente beaucoup plus que la masse de la matière visible (galaxies vues en optique et gaz aux rayons X). La présence de matière noire est donc attestée ce qui semble invalider la théorie MOND.

              Cette apparente contradiction a été résolue par les tenants de la théorie MOND lorsqu’ils ont admis qu’il existait bien une petite quantité de matière noire, probablement sous forme de neutrinos…

Une explication qui ne sera peut-être jamais trouvée

             En somme, pour le moment, malgré des efforts considérables (appareils de plus en plus perfectionnés, chercheurs se consacrant uniquement à la recherche de la matière noire, immenses dispositifs de capture de particules « exotiques » parfois profondément implantés sous terre, etc.), aucune capture de la moindre nouvelle particule susceptible d’expliquer la présence dans l’univers de cette masse colossale (plus de 95% !) qui reste parfaitement insaisissable.   Ce qui, indéniablement, fait désordre…

           Mais il n’existe pas non plus d’argument probant – et, bien sûr, encore moins définitif – en faveur de théories alternatives dont la plus célèbre reste MOND.

            Pourtant, cette masse inconnue ne vient pas de nulle part et si elle n’existe pas, c’est que nos moyens de calcul sont quelque part erronés. Comment savoir ? Pour certains scientifiques, la solution est à portée de main et il suffit de persévérer encore un peu. Pour d’autres, c’est l’inverse : ceux-là pensent que la matière existe sous une autre forme et que celle-ci n’interagit jamais avec la matière conventionnelle telle que nous la connaissons ; elle resterait à tout jamais hors de notre portée.

          C’est l’avenir qui permettra probablement de trancher. Du moins rien ne nous interdit de l’espérer.

Sources :

• Wikipédia France
• encyclopaedia britannica
• revue La Recherche
• www.astronoo.com/

Images :

1.  galaxie du sombrero (sources : hdqwalls.com)
2.  Fritz Zwicky (sources : rankred.com)
3.  Vera Rubin (sources : thesestonewalls.com)
4.  répartition de la matière noire (sources : fr.wikipedia.org)
5.  courbes des vitesses de rotation périgalactiques (sources : theconversation.com)
6.  amas du Boulet (sources : passion-radio.forumactif.com)

Mots-clés : Fritz Zwicky - supernovas - amas de Coma - Vera Rubin - matière noire et énergie sombre - neutrinos - wimps - Mordehai Milgrom - amas du Boulet

(les mots en gris renvoient à des sites d'information complémentaires)

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mise à jour : 26 mars 2023