Théorie MOND

Équilibre dynamique gravitationnel

La vision statique et immuable de l'univers a été soutenue par le monde philosophique et scientifique pendant plus de 23 siècles. C'est en 1929 qu'elle s'écroule avec la découverte de l'expansion de l'univers par Edwin Hubble (1889-1953).
Aujourd'hui nous savons que les objets physiques(étoiles, galaxies et gaz) qui composent l'Univers, non seulement sont en mouvement, mais ne seraient que la partie visible d'un « iceberg », où l'essentiel, 96% de la masse et de l'énergie, serait caché. Matière ordinaire, matière noire, énergie sombre seraient les constituants de l'Univers.
En 1933, l’astrophysicien suisse Fritz Zwicky, étudie un petit groupe de galaxies dans l’amas de Coma et constate que la masse dynamique de l’amas est beaucoup plus élevée que sa masse lumineuse visible. A cette époque, la découverte n'est pas considérée comme révolutionnaire, le fait qu'il manque un peu de matière au sein d’un amas galactique n'est pas fondamentale. Mais à partir de 1978, une astronome américaine, Vera Rubin, en plus de ses 4 enfants, se consacre à l'étude des galaxies. Elle constate, à plus petite échelle celle des galaxies, que les étoiles à la périphérie des galaxies semblent tourner trop vite. La courbe de rotation de certaines galaxies spirales était plate. La vitesse des étoiles ne décroissait pas en fonction de leur éloignement du centre galactique. Or tout les mouvements sont liés à la force de gravitation, dans le système solaire plus on s'éloigne du soleil, plus sa force gravitationnelle faiblit et les planètes lointaines tournent moins vite que les planètes proches du Soleil. Il en est de même pour les étoiles dans les galaxies où pour les galaxies dans les amas de galaxies et en règle générale pour toutes les masses qui tournent autour d'un champ gravitationnel intense.

Pour la plupart des scientifiques, il n'est pas question de remettre en cause les lois de la gravitation, ils considèrent les amas d'étoiles, les galaxies et les amas de galaxies comme des systèmes en équilibre dynamique gravitationnel. Lorsque les étoiles ont eu le temps de faire plusieurs fois le tour d'une galaxie (crossing time), on considère que la galaxie a atteint son état d'équilibre gravitationnel. Sinon les étoiles auraient disparues de l'espace gravitationnel de la galaxie.
La conclusion, c'est qu'il manque de la masse dans l'univers observable pour assurer sa stabilité. Différentes hypothèses ont été émises pour expliquer l'anomalie observée. Les scientifiques ont essayé de rajouter de grandes masses sous forme de gaz moléculaire, d'étoiles mortes, de naines brunes, d'étoiles à neutrons, de trous noirs, mais cela n'a pas suffit. Les calculs montrent que la masse dynamique déduite de l'influence gravitationnelle est au moins 5 fois plus grande, que la masse visible dans nos télescopes.
En d'autres termes la théorie de Newton n'est vérifiée que s'il existe une énorme masse supplémentaire dans les galaxies. L'énorme masse manquante serait une matière de type non baryonique (protons, neutrons). La matière noire, jusqu'à lors ignorée, devient à la mode dans le monde scientifique. Cependant en 1983, le physicien israélien Mordehai Milgrom conteste le concept de matière noire. Il propose une petite modification de la théorie de Newton pour résoudre le problème de la rotation trop rapide des étoiles et des galaxies. Mordehai Milgrom appelle sa théorie « MOND ».

Image : courbe de rotation des galaxies spirales. En bleu (A), la courbe de rotation calculée à l'aide des équations de Newton, en rouge (B), la courbe observée en fonction de la distance des étoiles par rapport au centre de la galaxie. Crédit image : www.astronoo.com

Théorie MOND

La théorie MOND (MOdified Newtonian Dynamics), dynamique newtonienne modifiée, remet en cause le concept de matière noire et propose une explication au problème de la courbe de rotation plate des galaxies spirales. MOND repose sur une modification de la seconde loi de Newton aux accélérations très faibles. Cependant certaines observations astronomiques, en particulier les collisions d'amas de galaxies, viennent contredire cette théorie. Comme nous le savons aujourd'hui, le gaz constitue l'essentiel de la masse d'un amas galactique. Donc lorsque nous observons un amas de galaxies, nous observons en réalité le gaz qui compose l'amas, plus que les étoiles de l'amas elles mêmes. Le test critique à la théorie de MOND est la collision de deux amas de galaxies qui se traversent sans même se rencontrer car les amas de galaxies sont des grains de poussières dans une immensité vide. Voici la contradiction à la théorie MOND.
Dans la théorie de gravité modifiée, il n'y a pas de matière noire, imaginons donc une collision entre deux amas (image du haut). S'il n'y avait pas de matière noire, la matière dominante de l'amas est le gaz. La collision des deux amas se traversant nous montrerait d'un côté de l'image, la matière ordinaire c'est-à-dire les groupes d'étoiles d'un des deux amas, et de l'autre les groupes d'étoiles de l'autre amas. Au milieu, on observe entre les deux groupes de galaxies, le gaz accumulé de chaque amas. En effet le nuage de gaz d'un amas va interagir avec l'autre nuage de l'autre amas et va se mélanger contrairement à la matière lourde (étoiles).
Dans ce premier cas de figure sans matière noire (image du haut), où se trouve l'essentiel de la masse après la collision ?
La masse se retrouve dans la région centrale au milieu du gaz puisque la totalité du gaz est plus massif que la totalité des étoiles.

Imaginons maintenant la même expérience (image du bas) où il n'y a pas de gravité modifiée mais la présence de la matière noire. Cette fois la matière dominante est la matière noire, c'est elle qui concentre la majorité de la masse, puisque la matière noire est 5 fois plus massive que la matière ordinaire (étoiles et gaz). Sur la deuxième image, celle du bas, la matière noire est représentée par les bulles grises.
Lorsque les deux amas entrent en collision, les galaxies se traversent et le gaz s'accumule comme dans l'exemple précédent. Et la matière noire lourde va se comporter comme la matière ordinaire des d'étoiles, elle va très peu interagir et traverser l'immensité de l'espace vide pour se retrouver avec les groupes d'étoiles de part et d'autre du gaz.
Dans ce deuxième cas avec la présence de matière noire, où est l'essentiel de la masse après la collision ?
De part et d'autre du gaz là où il y a la matière noire et non pas là où il y a le gaz comme dans le premier cas de figure. On voit bien dans cette expérience que la présence de matière noire ou l'absence comme dans MOND, donne des observations différentes.
La preuve de la présence de matière noire a été amenée par l'observation de l'amas du Boulet (voir l'article). En observant cet amas les cosmologistes arrivent à reconstruire la carte des masses et on observe bien que les masses se trouvent là où se trouvent les galaxies et non pas là où se trouve le gaz.
Cette contradiction fut résolue en admettant dans la théorie l'existence d'une certaine quantité de matière noire sous forme de neutrinos.
L'essentiel de notre univers est invisible.

Image : Après la collision de deux amas, dans la théorie MOND, la masse se trouve dans le nuage de gaz au centre (image du haut). Avec la matière noire, la masse se trouve dans les bulles grises (image du bas).
Crédit image : Conférence du 5 avril 2011 de Nathalie Palanque-Delabrouille astrophysicienne au CEA (Saclay).