Matière noire : pour la première fois on forme des galaxies, sans elle et avec Mond
Pour
la première fois, des chercheurs des universités de Bonn et de
Strasbourg ont simulé la formation de galaxies sur ordinateur en
utilisant des lois de la gravité de Newton modifiées dans le cadre
de Mond. Les galaxies avec disque qui ont été créées sans matière
noire sont similaires à certaines que nous voyons actuellement.
D'après
les lois de la gravitation
de
Newton,
en fonction de la distribution des étoiles
et
même des nuages
de gaz
que
l'on détecte dans les disques des galaxies,
ces étoiles et ces nuages devraient tourner de moins en moins vite
au fur et à mesure que l'on s'éloigne du centre des galaxies autour
desquelles ils sont en orbite.
Ce n'est pas le cas, ce qui a fait supposer qu'il devait y avoir une
importante quantité de matière qui ne rayonne pas, ou quasiment
pas, en quantité bien supérieure à la matière normale dite
baryonique qui compose étoiles et nuages de gaz. On peut ainsi
rendre compte des observations en imaginant que les galaxies
spirales
sont
plongées dans un halo de cette matière
noire,
puisqu'elle n'émet pas de lumière,
de forme sphérique.
On
trouve un problème similaire avec le vitesses
des
galaxies dans les amas
galactiques.
Elles sont trop rapides pour que ces astres
forment
des systèmes gravitationnellement liés, à moins, là aussi, de
supposer que les amas sont plongés dans un halo de matière noire
bien plus massif et dont le champ de gravité
empêche
les galaxies formées de baryons
de
s'échapper des amas.
Il
n'est pas possible de rendre compte des particules de matière noire
en supposant qu'il s'agit encore de particules connues,
principalement des noyaux et des atomes
d'hydrogène
et
d'hélium,
sans entrer en contradiction avec les calculs de la nucléosynthèse
primordiale
de la théorie du Big
Bang,
laquelle conduit à de nombreuses prédictions couronnées de succès.
Les particules de matière noire devraient donc relever d'une
physique
exotique,
encore jamais vue dans des collisions de particules dans des
accélérateurs comme le LHCou
dans des détecteurs comme Xenon
1T.
Sur ce schéma, est représentée en pointillés la courbe des vitesses de rotation des étoiles (starlight) dans une galaxie déduite de la répartition de ces étoiles dans le disque. Les observations ne valident pas cette déduction. En effet, les étoiles détectées dans le visible tournent plus vite, tout comme les nuages d'hydrogène repérés grâce à la fameuse raie à 21 cm. Les vitesses sont ici en km/s et les distances en milliers d'années-lumière (ly sur le schéma)
Nouvelles particules ou nouvelle dynamique ?
Ces
particules sont restées indétectables et c'est en partie pourquoi
depuis une décennie, une autre hypothèse proposée dès le début
des années 1980 par le physicien
israélien
Mordehai Milgrom a été considérée de plus en plus sérieusement.
Il s'agit en fait d'un cadre pour différentes théories où on les
rassemble souvent sous la dénomination de Modified
Newtonian dynamics (Mond).
Comme son nom l'indique, il s'agit de modifier les équations
de
mécanique céleste de Newton de telle sorte qu'à grande distance
d'un corps attracteur, l'accélération produite par son champ de
gravitation sur un autre corps ne décroît pas de la même façon
que dans le cadre de la physique de Newton. De cette manière, les
étoiles dans une galaxie peuvent tourner plus vite autour de son
centre, comme s'il y avait une masse
plus
importante mais invisible alors que ce n'est pas le cas.
La
théorie
Mond
a
rencontré de nombreux succès ces dernières années, notamment
parce qu'elle rend mieux compte, par exemple, des observations
concernant les galaxies
naines autour d’Andromède
et
de la Voie
lactée.
Futura
a consacré de nombreux articles à Mond
en
donnant la parole à plusieurs reprises à l'un des chercheurs qui
explorent cette alternative au modèle de la matière noire froide,
l'astrophysicien
Benoît
Famaey
(qui
travaille sur la dynamique des galaxies à l'observatoire de
Strasbourg). Avec son collègue Stacy McGaugh, il a ainsi rédigé un
article de fond sur le sujet pour Living
Reviews in Relativity.
Aujourd'hui
Benoit Famaey et ses collègues de l'université de Bonn, Nils
Wittenburg et Pavel Kroupa, viennent de publier un article
impressionnant dans le célèbre Astrophysical
Journaldans
lequel les chercheurs annoncent qu'ils ont fait la première
simulation de la formation des galaxies dans le cadre de Mond, donc
sans faire usage de matière noire. Ce n'est pas la première fois
que l'on fait des simulations de galaxies et de leur évolution dans
ce cadre. On peut citer à cet égard les travaux de
l'astrophysicienne française Franóise
Combes
professeur
au Collège de France à la chaire « Galaxies et cosmologie
»,
en compagnie de son collègue Olivier
Tiret
au cours des années 2000.
*Un extrait de la simulation montrant la formation d'une galaxie en forme de disque et son évolution sur plusieurs milliards d'années dans le cadre de la théorie Mond. On la voit ici perpendiculairement au plan du disque.
Des galaxies spirales réalistes avec Mond
Mais
ces simulations partaient de disques galactiques déjà préformés
alors que dans le cas des travaux que l'on peut consulter en accès
libre sur arXiv,
on forme des étoiles puis des galaxies ab
initio,
c'est-à-dire à partir de concentrations en matière ordinaire
telles qu'elles devaient être quelques centaines de milliers
d'années après le Big Bang, comme l'explique un communiqué de
l'université de Bonn à ce sujet. Tout comme dans le cadre du
scénario de la cosmologie standard, ces concentrations s'effondrent
sous l'effet de leur propre gravité, mais dans le cas présent, ce
n'est plus sous l'effet de la gravité newtonienne.
Pour
rendre leur simulation encore plus réaliste avec Mond, les trois
astrophysiciens ont inclus les effets de la matière baryonique,
c'est-à-dire ceux du rayonnement des étoiles sur le gaz qui permet
leur formation ainsi que le souffle des explosions de supernovae.
On sait que ces processus peuvent conduire à des résultats
substantiellement différents sur la formation des galaxies comme le
prouve le
paradigme des courants froids.
Pavel
Kroupa explique en ces termes ce qui a émergé des simulations
numériques
conduites
avec le code
baptisé Phatom of RAMSES (POR)
:
«À
bien des égards, nos résultats sont remarquablement proches de ce
que nous observons réellement avec les télescopes.
De plus, notre simulation a principalement abouti à la formation de
galaxies en forme de disques en rotation comme la Voie lactée et
comme presque toutes les autres grandes galaxies que nous
connaissons... Les simulations avec matière noire, par contre,
créent principalement des galaxies sans disques bien distincts - une
divergence avec les observations qu'il est difficile d'expliquer. »
Mais
devant ces beaux résultats, toujours dans le communiqué de
l'université de Bonn, Pavel Kroupa incite à la prudence car tout
repose sur des hypothèses qu'il reste à connecter de manière
solide
aux
conditions initiales concernant les fluctuations de densité de
matière juste après le Big Bang. Il reste du travail à faire pour
y voir plus clair de sorte que les simulations actuelles ne sont
qu'un premier pas en direction d'une véritable cosmologie basée sur
Mond expliquant l'origine des galaxies.
*Un extrait de la simulation montrant la formation d'une galaxie en forme de disque et son évolution sur plusieurs milliards d'années dans le cadre de la théorie Mond. On la voit ici parallèlement au plan du disque. Contrairement aux modèles avec matière noire, l'effet de changements dans la dynamique des baryons ne semble pas conduire à des résultats très différents pour les galaxies.
Materia
escura: por primeira vez
formamos galaxias, sen ela e con Mond
Por
primeira vez, investigadores das universidades de Bonn e de
Estrasburgo simularon a formación de galaxias sobre o ordenador
utilizando das leis da gravidade de Newton modificadas no marco de
Mond. As galaxias con disco que se crearon sen materia escura, son
similares a certas que vemos actualmente.
De
acordo coas leis de gravitación de Newton, dependendo da
distribución das estrelas e mesmo as nubes de gas que se detectan
nos discos das galaxias, estas estrelas e nubes deberían rotar cada
vez menos a medida que nos afastamos do centro das galaxias ao redor
das cales están en órbita. Non é o caso, o que fixo supoñer que
debe haber unha cantidade significativa de materia que non irradie,
ou case non, nunha cantidade moito maior que a materia normal
coñecida como bariónica que compón estrelas e nubes de gas. Por
tanto, podemos explicar as observacións imaxinando que as galaxias
espirais están inmersas nun halo desta materia escura, xa que non
emite luz, de forma esférica.
Hai
un problema similar coa velocidade das galaxias nos cúmulos
galácticos. Son demasiado rápidas para que estas estrelas formen
sistemas unidos gravitativamente, a menos que, aquí tamén, supoña
que os cúmulos están inmersos nun halo de materia escura moito máis
masiva e cuxo campo de gravidade impide que as galaxias formadas por
barións escapen dos montóns.
Non
é posible explicar as partículas de materia escura supoñendo que
aínda son partículas coñecidas, principalmente núcleos e átomos
de hidróxeno e helio, sen contradicir os cálculos de
nucleosíntesis primordial da teoría do Big Bang, que conduce a
moitas predicións exitosas. Por tanto, as partículas de materia
escura deberían provir dunha física exótica, nunca antes vista en
colisións de partículas en aceleradores como o LHC ou en
detectores como Xenon 1 T.
*Neste
diagrama, a curva das velocidades de rotación das estrelas (luz
estelar) represéntase en liñas punteadas nunha galaxia deducida da
distribución destas estrelas no disco. As observacións non validan
esta dedución. De feito, as estrelas detectadas no visible xiran
máis rápido, do mesmo xeito que as nubes de hidróxeno detectadas
grazas á famosa liña de 21 cm. As velocidades están aquí en km /
sy as distancias en miles de anos luz ( ly no diagrama).
Novas
partículas ou novas dinámicas?
Estas
partículas permaneceron indetectables e esta é en parte a razón
pola que durante a última década, outra hipótese proposta a
principios da década de 1980 polo físico israelí Mordehai
Milgrom considerouse cada vez máis en serio. De feito, trátased un
marco para diferentes teorías onde a miúdo reúnense baixo o nome
de Dinámica Newtoniana Modificada ( Mond). Como o seu nome indícao,
trátase de modificar as ecuacións da mecánica celeste de Newton de
tal forma que a gran distancia dun corpo atraente, a aceleración
producida polo seu campo de gravitación noutro corpo non diminúa da
mesma maneira que na física de Newton. Desta maneira, as estrelas
nunha galaxia poden rotar máis rápido ao redor do seu centro, coma
se houbese unha masa máis grande pero invisible cando este non é o
caso.
A
teoría de Mond tivo moitos éxitos nos últimos anos, sobre todo
porque captura mellor, por exemplo, as observacións das galaxias
ananas ao redor de Andrómeda e a Vía Láctea. Futura dedicou
numerosos artigos a Mond dando a palabra repetidamente a un dos
investigadores que están a explorar esta alternativa ao modelo de
materia escura fría, o astrofísico Benoît Famaey (que traballa
na dinámica das galaxias no observatorio de Estrasburgo). Co seu
colega Stacy McGaugh, escribiu desta maneira un artigo sobre o tema
para Living Reviews in Relativity.
Hoxe,
Benoit Famaey e os seus colegas da Universidade de Bonn, Nils
Wittenburg e Pavel Kroupa, acaban de publicar un artigo
impresionante no famoso Astrophysical Journal no que os
investigadores anuncian que realizaron a primeira simulación da
formación de galaxias no marco de Mond, así que sen facer uso da
materia escura. Esta non é a primeira vez que se realizan
simulacións de galaxias e a súa evolución neste contexto. A este
respecto, podemos citar o traballo do astrofísico francés
Franóise Combes, profesor do Collège de France na cátedra
"Galaxias e cosmoloxía", co seu colega Olivier Tiret na
década de 2000.
Galaxias
espirais realistas con Mond
Pero
estas simulacións comezaron a partir de discos galácticos xa
formados, mentres que no caso de traballos que poden consultarse en
acceso libre en arXiv, formamos estrelas e logo galaxias ab initio,
é dicir, a partir de concentracións en materia ordinaria, xa que
debe pasar uns centos de miles de anos despois do Big Bang, como se
explica nun comunicado de prensa da Universidade de Bonn sobre este
tema. Do mesmo xeito que no escenario cosmolóxico estándar, estas
concentracións colapsan baixo o efecto da súa propia gravidade,
pero neste caso, xa non está baixo o efecto da gravidade
newtoniana.
Para
facer a súa simulación aínda máis realista con Mond, os tres
astrofísicos incluíron os efectos da materia bariónica, é dicir,
os da radiación das estrelas sobre o gas que permite a súa
formación e o alento das explosións de supernovas. Sabemos que
estes procesos poden conducir a resultados substancialmente
diferentes na formación de galaxias como o demostra o paradigma das
correntes frías.
Pavel
Kroupa explica nestes termos o que xurdiu das simulacións dixitais
realizadas co código denominado Phatom de RAMSES (POR): “En
moitos sentidos, os nosos resultados están notablemente preto do que
realmente observamos cos telescopios. Ademais, a nosa simulación
resultou principalmente exitosa na formación de galaxias en forma de
discos xiratorios como a Vía Láctea e como case todas as outras
galaxias grandes que coñecemos... As simulacións de materia escura,
doutra banda, crean principalmente galaxias libres de discos moi
distintas, unha diverxencia das observacións que son difíciles de
explicar. "
Pero
ante estes excelentes resultados, aínda no comunicado da
Universidade de Bonn, Pavel Kroupa incita á precaución porque
todo baséase en hipótese que aínda non se conectaron solidamente
ás condicións iniciais con respecto ás flutuacións na densidade
da materia xusto despois do Big Bang. Aínda queda traballo por facer
para ver con maior claridade, de modo que as simulacións
actuais sexan só un primeiro paso cara a unha cosmoloxía real
baseada en Mond que explica a orixe das galaxias.
Lorena
Ríos Gándara (4ºESO)