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La matière noire

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L'amas de la Balle a-t-il tué MOND ?

Introduction

Image composite, représentant à la fois la matière baryonique (en rouge) et la matière noire déduite des lentilles gravitationnelles (en bleu).

L'amas de galaxies nommé 1E0657-56 ou 1E0657-558 selon les auteurs, est plus connu par les anglo-saxons sous le sobriquet de « Bullet Cluster ». Découvert en 1995 dans le domaine des rayons X, il contient en effet une structure visible dans ces longueurs d'onde sous la forme d'une balle de fusil. On découvrit en 1998 qu'il s'agit d'un couple d'amas en interaction, la balle étant constitué du cœur d'un des amas qui a traversé l'autre.

L'étude de cet amas permet d'obtenir des contraintes intéressantes sur la nature et sur les propriétés de la matière noire. En 2003, une première étude de Clowe, Gonzalez et Markevitch [1], en se basant sur l'effet de lentille gravitationnelle créé par cet amas et sur son émission en rayons X, indique que les propriétés observées sont compatibles avec l'hypothèse que la matière noire est formée de particules sans interactions mutuelles. En revanche, les hypothèses de gravité modifiée sont défavorisées par cette étude.

Cette étude, ainsi que celle qui a suivi en 2006 [2], reconstruit le potentiel gravitationnel de l'amas en se basant sur les effets de lentilles gravitationnels faibles, et en déduit la distribution de masse responsable de ce potentiel. Cette approche avait déjà été suivie par de nombreuses équipes et ne constitue pas l'originalité de ce travail. Dans le cas précis de cet amas, et contrairement aux cas usuels, la distribution de matière baryonique (le gaz) est décalée par rapport aux centres des puits de potentiel gravitationnel. Dans le cadre de la matière noire, cette propriété s'explique facilement : lors de l'interaction entre les amas de galaxies, les composantes non collisionnelles (les galaxies et la matière noire) se sont traversées sans se voir, continuant leur chemin après la rencontre, seulement freinées par leur attraction gravitationnelle. En revanche, la composante collisionnelle (le gaz responsable de l'émission en X) a subi un choc au moment de la rencontre, ce qui l'a freinée et laissée en arrière.

Par contre, il semble plus difficile a priori d'expliquer cette observation par des théories de gravité modifiée, car on s'attend à ce que la distribution de potentiel soit lors centrée sur la distribution de masse baryonique, en contradiction avec les observations.

Superposition de l'image en rayons X (en couleurs) et des contours de densité obtenus par lentille gravitationnelle.

Tout ceci a conduit à l'annonce de la victoire triomphale de l'hypothèse de la matière noire sur les défenseurs des théories de la gravité modifiée, et même à la « mort de MOND ». Toutefois, si ces résultats peuvent embarrasser les MONDiens, ils ne permettent pas, pour le moment, de justifier ces affirmations catégoriques. Dans cette page, nous allons tenter de résumer les informations que nous fournit l'amas de la « Bullet », puis de présenter les arguments avancés par les MONDiens pour se défendre de leur mort annoncée.

Le potentiel gravitationnel dans l'amas de la « Bullet »

La déformation des images des galaxies d'arrière-plan, sous l'effet du potentiel gravitationnel de l'amas, est appelée effet de lentille gravitationnelle faible. L'observation de cet effet permet de reconstruire le potentiel gravitationnel de l'amas responsable, et ce sur des grandes échelles spatiales [3].

On observe aussi dans cet amas des arcs gravitationnels et des images multiples, dûs à l'effet de lentille gravitationnelle forte. L'analyse de ces mirages gravitationnels fournit des contraintes supplémentaires sur le potentiel gravitationnel dans l'amas.

On observe aussi dans cet amas des effets de lentilles gravitationnelles fortes, conduisant à la formation d'arcs gravitationnels.

Conclusions et questions ouvertes

Le potentiel n'est pas centré sur la masse baryonique. La distribution de matière noire est centrée sur celle des étoiles. Même si cela ne permet de conclure que la matière noire est non collisionnelle, on peut mettre des limites sur l'auto-interaction de la matière noire [6].

La réponse de MOND

Même dans MOND, la distribution de potentiel n'est pas nécessairement centrée sur celle de la masse. Angus et ses collaborateurs avaient montré [4] qu'une distribution de masse présentant trois maxima pouvaient donner des effets de lentille gravitationnelle (calculés par MOND) qui ressembleraient fortement aux effets de deux masses, calculés par la relativité générale usuelle. En d'autres termes, une même observation pourrait être interprétée de deux façons radicalement différentes, et peut-être toutes deux cohérentes !

Cette étude générale fut suivie par une autre, s'intéressant au cas particulier de l'amas de la « Bullet » [5]. Cette même équipe montra alors que même dans le cas de MOND, une composante de matière peu collisionnelle devait être présente dans des proportions importantes pour rendre compte des effets observés. On pourrait penser que la proposition MOND n'apporte rien dans ce contexte, puisque de la matière noire doit être introduite. Ce n'est pas tout à fait le cas, car dans le cas de MOND cette matière noire pourrait être constituée de neutrinos, pourvu que leur masse soit de l'ordre de 2 eV (dans les analyses usuelles basées sur la relativité générale, un tel candidat ne permet pas d'expliquer la concentration de matière noire formant les halos galactiques). Ces neutrinos ne joueraient pas un grand rôle sur la dynamique des galaxies, car ils seraient distribués de façon très diffuse et très homogène à cette échelle. Cette possibilité avait été proposée par Sanders en 2002 [7] et étudiée par Pointecouteau et Silk en 2005 [8].

La proposition MOND devrait donc pouvoir être falsifiée par les mesures de la masse des neutrinos, en particulier par l'expérience KATRIN qui devrait être réalisée aux alentours de 2009.

Conclusion

Les observations de l'amas de la « Bullet » ne permettent pas encore vraiment d'exclure la validité de la théorie MOND.


Bibliographie

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