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Modification de la Dynamique Newtonienne : MOND

Introduction

Tous les indices qui soulèvent le problème de la matière noire sont d'origine gravitationnelle. On peut d'ailleurs reformuler ce problème sous la forme "on observe trop de gravitation, étant donné le contenu observé de l'Univers". On peut finir par se demander si on ne fait pas fausse route dès le départ, si on comprend bien la relation entre les masses et la gravitation !

Pour illustrer ce point, revenons sur la question de la matière noire galactique. Les courbes de rotations peuvent s'expliquer sans introduire de matière noire mais en supposant que la force de gravitation décroît moins vite avec la distance que ce qu'on considère d'habitude. Cette hypothèse a été introduite par Milgrom en 1983 [7] qui l'a baptisée MOND pour MOdified Newtonian Dynamics (en français : Dynamique Newtonnienne Modifiée). Dès 1984, Bekenstein y apporte un point de vue formel crucial [8].

L'idée de base de MOND est la suivante : il existerait une accélération limite a0 qui sépare deux régimes. Dans le régime des "grandes" accélérations (a >> a0, en fait le régime auquel nous sommes habitués), la loi de Newton habituelle est vérifiée et a=GM/2. Dans le régime des faibles accélérations (a << a0), cette relation doit être remplacée par a2/a0=GM/2, ce qui donne donc une loi en 1/r. L'accélération a0 serait alors une constante fondamentale de la nature. L'ajustement des observations de courbes de rotations galactiques permet de la déterminer numériquement : elle est de l'ordre de 10-8 cm/s2. Milgrom est troublé par le fait que c'est assez proche numériquement de la quantité cH, une accélération obtenue en multipliant la vitesse de la lumière par la constante de Hubble.

Remarquons que la modification apportée par MOND peut être interprétée de plusieurs façons. On peut la voir comme une modification de la dynamique, c'est-à-dire de la relation entre force et accélération, ou bien comme une modification de l'inertie.

MOND et les galaxies

Cette approche, sans aucun doute, "marche" bien et permettrait de résoudre le problème de la matière noire à l'échelle des galaxies. En particulier, elle explique le fait que les galaxies de faible luminosité de surface semblent être dominées par la matière noire en leur coeur, alors que les galaxies de forte luminosité de surface sont dominées par la matière ordinaire. Du point de vue de MOND, ceci est dû au fait qu'il y a moins de matière dans les première, l'accélération y est donc plus faible et on se trouve alors en plein dans le régime de MOND, des faibles accélérations. Pour les secondes il y a plus de matière et on est dans le régime de la gravité usuelle.

MOND, relativité et cosmologie

Il reste toutefois à cette approche encore beaucoup d'étapes à franchir avant de prétendre avoir résolu le problème de la matière noire. Tout d'abord, elle propose une modification de la loi de Newton alors qu'on sait que celle-ci découle de la relativité générale. Plusieurs tentatives ont été faites pour incorporer MOND dans un cadre relativiste, certaines ont échoué, pour d'autres il est trop tôt pour se prononcer [2]. Ensuite (et ce point est relié au précédent) les conséquences de MOND sur la cosmologie sont difficiles à évaluer en l'absence d'une version relativiste (toutefois, voir [3]). On trouve tout de même des études qui confrontent MOND à des observations cosmologiques, comme par exemple à l'observation du rayonnement de fond cosmologique par WMAP [5] ou celles des grandes structures en général [9]. Cette étude, par exemple, conclut que seule l'observation précise du troisième pic acoustique (voir cette page) pourrait permettre de trancher avec l'hypotèse de matière noire froide : MOND prédit que les pics successifs sont d'amplitude de plus en plus faible, contrairement aux scénarios de matière noire. Les premières confrontations de la théorie MOND avec les données lui semblent défavorables [10], l'amplitude observée du troisième pic étant trop grande. Ce n'est pas le dernier mot pour MOND, car on peut imaginer des scénarios dans lesquels l'amplitude du troisième pic serait finalement assez élevée, notamment si les neutrinos ont une masse assez élevée (une hypothèse de plus en plus difficile à tenir).

MOND et les amas de galaxies

Les amas de galaxies permettent de tester conjointement l'hypothèse MOND et l'hypothèse de matière noire. En effet, dans le premier cas le champ de gravitation "suit" le champ de matière visible, alors que dans le second, le champ de gravitation suit la matière noire qui est distribuée de façon différente de la matière visible. Or dans certains amas de galaxies, on peut cartographier à la fois la matière visible (les galaxies et le gaz intergalactique) et le champ de gravitation (voir ici). Sur un exemple précis d'amas bien observée, [6] montre que l'hypothèse MOND est défavorisée par rapport à l'hypothèse de matière noire froide. Ceci contredit l'analyse générale [4].

Figures tirées de l'analyse [6]. A gauche, image visible (galaxies) de l'amas 1E0657-558, à droite image en X (gaz chaud). Les contours indiquent le champ gravitationnel reconstruit à partir des observations de lentilles gravitationnelles. On voit clairement que le champ gravitatinonel ne suit pas la matière ordinaire (ni les étoiles, ni le gaz).

Conclusion

La voie MOND est une approche intéressante dans la mesure où elle apporte une réponse fondamentale aux problèmes de la matière noire, d'une manière qui est falsifiable, c'est-à-dire qui peut être confirmée ou infirmée par des observations. Il est possible que les fondements théoriques de MOND ne soient pas aussi solides que ses partisans le prétendent, mais il est encore trop tôt pour que la question soit tranchée. C'est en tout cas une hypothèse à garder en tête.


Bibliographie

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