Dynamique newtonienne modifiée - Modified Newtonian dynamics

La dynamique newtonienne modifiée ( MOND ) est une hypothèse qui propose une modification de la loi de la gravitation universelle de Newton pour tenir compte des propriétés observées des galaxies . C'est une alternative à l'hypothèse de la matière noire pour expliquer pourquoi les galaxies ne semblent pas obéir aux lois de la physique actuellement comprises.

Créée en 1982 et publiée pour la première fois en 1983 par le physicien israélien Mordehai Milgrom , la motivation initiale de l'hypothèse était d'expliquer pourquoi les vitesses des étoiles dans les galaxies étaient plus grandes que prévu sur la base de la mécanique newtonienne. Milgrom a noté que cet écart pourrait être résolu si la force gravitationnelle subie par une étoile dans les régions externes d'une galaxie était proportionnelle au carré de son accélération centripète (par opposition à l'accélération centripète elle-même, comme dans la deuxième loi de Newton ) ou alternativement, si la force gravitationnelle venait à varier inversement linéairement avec le rayon (par opposition à l' inverse du carré du rayon, comme dans la loi de la gravité de Newton ). Dans MOND, la violation des lois de Newton se produit à des accélérations extrêmement faibles, caractéristiques des galaxies mais bien inférieures à tout ce qui est généralement rencontré dans le système solaire ou sur Terre.

MOND est un exemple d'une classe de théories connues sous le nom de gravité modifiée et constitue une alternative à l'hypothèse selon laquelle la dynamique des galaxies est déterminée par des halos de matière noire invisibles et massifs . Depuis la proposition originale de Milgrom, les partisans de MOND ont prétendu prédire avec succès une variété de phénomènes galactiques qu'ils déclarent difficiles à comprendre en tant que conséquences de la matière noire . Cependant, MOND et ses généralisations ne tiennent pas suffisamment compte des propriétés observées des amas de galaxies , et aucun modèle cosmologique satisfaisant n'a été construit à partir de cette hypothèse.

La mesure précise de la vitesse des ondes gravitationnelles par rapport à la vitesse de la lumière en 2017 a exclu de nombreuses hypothèses qui utilisaient la gravité modifiée pour exclure la matière noire. Cependant, ni la formulation bi-métrique de MOND de Milgrom ni de MOND non local n'est exclue par cette étude.

Aperçu

Plusieurs observations indépendantes soulignent le fait que la masse visible dans les galaxies et les amas de galaxies est insuffisante pour expliquer leur dynamique, lorsqu'elle est analysée à l'aide des lois de Newton. Cet écart - connu sous le nom de "problème de masse manquante" - a été identifié pour la première fois pour les amas par l'astronome suisse Fritz Zwicky en 1933 (qui a étudié l' amas de Coma ), puis étendu aux galaxies spirales par les travaux de 1939 d' Horace Babcock sur Andromède .

Ces premières études ont été augmentées et portées à l'attention de la communauté astronomique dans les années 1960 et 1970 par les travaux de Vera Rubin du Carnegie Institute de Washington, qui a cartographié en détail les vitesses de rotation des étoiles dans un grand échantillon de spirales. Alors que les lois de Newton prédisent que les vitesses de rotation des étoiles devraient diminuer avec la distance par rapport au centre galactique, Rubin et ses collaborateurs ont découvert qu'elles restaient presque constantes – les courbes de rotation sont dites « plates ». Cette observation nécessite au moins l'un des éléments suivants :

(1)	Il existe dans les galaxies de grandes quantités de matière invisible qui augmente la vitesse des étoiles au-delà de ce à quoi on pourrait s'attendre sur la base de la seule masse visible, ou
(2)	Les lois de Newton ne s'appliquent pas aux galaxies.

L'option (1) conduit à l'hypothèse de la matière noire ; l'option (2) conduit à MOND.

Le principe de base de MOND est que, bien que les lois de Newton aient été largement testées dans des environnements à forte accélération (dans le système solaire et sur Terre), elles n'ont pas été vérifiées pour les objets à accélération extrêmement faible, tels que les étoiles dans les parties externes des galaxies. . Cela a conduit Milgrom à postuler une nouvelle loi de force gravitationnelle effective (parfois appelée « loi de Milgrom ») qui relie la véritable accélération d'un objet à l'accélération qui lui serait prédite sur la base de la mécanique newtonienne. Cette loi, clé de voûte de MOND, est choisie pour reproduire le résultat newtonien à forte accélération mais conduit à un comportement différent ("deep-MOND") à faible accélération :

${\displaystyle F_{\text{N}}=m\,\mu \!\!\left({\frac {a}{\,a_{0}\,}}\right)\,a~.}$

( 1 )

Ici , F _N est la force newtonienne, m est (gravitationnelle) de l'objet de masse , un est son accélération, μ ( x ) est une fonction qui n'a pas encore indéterminée (appelée fonction d' interpolation ), et un ₀ est une nouvelle constante fondamentale qui marque la transition entre les régimes newtonien et profond-MOND. L'accord avec la mécanique newtonienne nécessite

${\displaystyle {\begin{aligned}\mu (x)\longrightarrow 1&&{\text{ for }}x\gg 1\end{aligned}}~,}$

et la cohérence avec les observations astronomiques exige

${\displaystyle {\begin{aligned}\mu (x)\longrightarrow x&&{\text{ for }}x\ll 1\end{aligned}}~.}$

Au-delà de ces limites, la fonction d'interpolation n'est pas spécifiée par l'hypothèse, bien qu'il soit possible de la contraindre faiblement empiriquement. Deux choix courants sont la "fonction d'interpolation simple":

${\displaystyle \mu \!\!\left({\frac {a}{\,a_{0}\,}}\right)={\frac {1}{\;1+{\frac {\, a_{0}\,}{a}}\;}}~,}$

et la "fonction d'interpolation standard":

${\displaystyle \mu \!\!\left({\frac {a}{\,a_{0}\,}}\right)={\sqrt {{\frac {1}{\;1+\left ({\frac {\,a_{0}\,}{a}}\right)^{2}\;}}~}}~.}$

Ainsi, dans le régime MOND profond ( a ≪ a ₀ ) :

${\displaystyle F_{\text{N}}=m{\frac {\,a^{2}\,}{\,a_{0}\,}}~.}$

En appliquant cela à un objet de masse m en orbite circulaire autour d'un point de masse M (une approximation grossière pour une étoile dans les régions externes d'une galaxie), nous trouvons :

${\displaystyle {\frac {\,GMm\,}{r^{2}}}=m{\frac {\;\left({\frac {\,v^{2}\,}{r}} \right)^{2}\;}{a_{0}}}\quad \Longrightarrow \quad v^{4}=GMa_{0}~,}$

( 2 )

c'est-à-dire que la vitesse de rotation de l'étoile est indépendante de r , sa distance par rapport au centre de la galaxie – la courbe de rotation est plate, comme requis. En adaptant sa loi aux données de la courbe de rotation, Milgrom s'est avéré optimal. Cette loi simple est suffisante pour faire des prédictions pour un large éventail de phénomènes galactiques. ${\displaystyle \,a_{0}\environ 1,2\times 10^{-10}\mathrm {ms} ^{-2}\,}$

La loi de Milgrom peut être interprétée de deux manières différentes :

• Une possibilité est de la traiter comme une modification de la deuxième loi de Newton , de sorte que la force sur un objet ne soit pas proportionnelle à l'accélération de la particule a mais plutôt à. Dans ce cas, la dynamique modifiée s'appliquerait non seulement aux phénomènes gravitationnels, mais aussi à ceux générés par d'autres forces , par exemple l' électromagnétisme .${\displaystyle \,\mu \!\left({\frac {a}{\,a_{0}\,}}\right)a\,.}$
• Alternativement, la loi de Milgrom peut être considérée comme laissant intacte la deuxième loi de Newton et modifiant à la place la loi de la gravité inverse au carré, de sorte que la vraie force gravitationnelle sur un objet de masse m due à un autre de masse M est à peu près de la forme Dans cette interprétation , la modification de Milgrom s'appliquerait exclusivement aux phénomènes gravitationnels.${\displaystyle \,{\frac {\,GMm\,}{\mu \!\!\left({\frac {a}{a_{0}}}\right)r^{2}}}~. }$

En soi, la loi de Milgrom n'est pas une théorie physique complète et autonome , mais plutôt une variante ad hoc empiriquement motivée de l'une des nombreuses équations qui constituent la mécanique classique. Son statut au sein d'une hypothèse non relativiste cohérente de MOND s'apparente à la troisième loi de Kepler au sein de la mécanique newtonienne ; il fournit une description succincte des faits d'observation, mais doit lui-même être expliqué par des concepts plus fondamentaux situés dans l'hypothèse sous-jacente. Plusieurs hypothèses classiques complètes ont été proposées (généralement le long des lignes de "gravité modifiée" par opposition aux lignes "d'inertie modifiée"), qui donnent généralement la loi de Milgrom exactement dans des situations de symétrie élevée et s'en écartent légèrement. Un sous-ensemble de ces hypothèses non relativistes a été intégré dans les théories relativistes, qui sont capables d'entrer en contact avec des phénomènes non classiques (par exemple, la lentille gravitationnelle ) et la cosmologie . La distinction à la fois théorique et observationnelle entre ces alternatives est un sujet de recherche actuel.

La majorité des astronomes , des astrophysiciens et des cosmologistes acceptent la matière noire comme explication des courbes de rotation galactiques (basées sur la relativité générale, et donc la mécanique newtonienne), et se sont engagés à résoudre le problème de la masse manquante par la matière noire. MOND, en revanche, n'est étudié activement que par une poignée de chercheurs.

La principale différence entre les partisans de l' ΛCDM et du MOND réside dans les observations pour lesquelles ils exigent une explication quantitative robuste et celles pour lesquelles ils sont satisfaits d'un compte rendu qualitatif ou sont prêts à partir pour un travail futur. Les partisans de MOND mettent l'accent sur les prédictions faites à l'échelle des galaxies (où MOND connaît ses succès les plus notables) et pensent qu'un modèle cosmologique compatible avec la dynamique des galaxies n'a pas encore été découvert. Les partisans du ΛCDM exigent des niveaux élevés de précision cosmologique (ce que la cosmologie de concordance fournit) et soutiennent qu'une résolution des problèmes à l'échelle des galaxies découlera d'une meilleure compréhension de l'astrophysique baryonique compliquée sous-jacente à la formation des galaxies .

Preuves observationnelles pour MOND

Étant donné que MOND a été spécifiquement conçu pour produire des courbes de rotation plates, celles-ci ne constituent pas une preuve de l'hypothèse, mais chaque observation correspondante ajoute au soutien de la loi empirique. Néanmoins, les partisans affirment qu'un large éventail de phénomènes astrophysiques à l'échelle galactique sont parfaitement pris en compte dans le cadre MOND. Beaucoup d'entre eux sont apparus après la publication des articles originaux de Milgrom et sont difficiles à expliquer en utilisant l'hypothèse de la matière noire. Les plus marquants sont les suivants :

• En plus de démontrer que les courbes de rotation dans MOND sont plates, l'équation 2 fournit une relation concrète entre la masse baryonique totale d'une galaxie (la somme de sa masse en étoiles et en gaz) et sa vitesse de rotation asymptotique. Cette relation prédite a été appelée par Milgrom la relation masse-vitesse asymptotique (MASSR) ; sa manifestation observationnelle est connue sous le nom de relation baryonique de Tully-Fisher (BTFR) et se conforme assez étroitement à la prédiction MOND.
• La loi de Milgrom spécifie pleinement la courbe de rotation d'une galaxie étant donné uniquement la distribution de sa masse baryonique. En particulier, MOND prédit une corrélation beaucoup plus forte entre les caractéristiques de la distribution de masse baryonique et les caractéristiques de la courbe de rotation que ne le fait l'hypothèse de la matière noire (puisque la matière noire domine le budget de masse de la galaxie et est conventionnellement supposé ne pas suivre de près la distribution des baryons) . Une corrélation aussi étroite serait observée dans plusieurs galaxies spirales, un fait qui a été qualifié de "règle de Renzo".
• Étant donné que MOND modifie la dynamique newtonienne d'une manière dépendante de l'accélération, il prédit une relation spécifique entre l'accélération d'une étoile à n'importe quel rayon du centre d'une galaxie et la quantité de masse invisible (matière noire) dans ce rayon qui serait déduite dans une analyse newtonienne. Ceci est connu sous le nom de relation écart de masse-accélération, et a été mesuré par observation. Un aspect de la prédiction MOND est que la masse de l'obscurité inférée aller soit à zéro lorsque l'accélération centripète stellaire devient supérieure à un ₀ , où MOND Revient à la mécanique newtonienne. Dans l'hypothèse de la matière noire, c'est un défi de comprendre pourquoi cette masse devrait être si étroitement liée à l'accélération, et pourquoi il semble y avoir une accélération critique au-dessus de laquelle la matière noire n'est pas requise.
• Les halos de MOND et de matière noire stabilisent les galaxies à disques, les aidant à conserver leur structure supportée par la rotation et empêchant leur transformation en galaxies elliptiques . Dans MOND, cette stabilité supplémentaire n'est disponible que pour les régions de galaxies dans le régime MOND profond (c'est-à-dire avec a < a ₀ ), suggérant que les spirales avec a > a ₀ dans leurs régions centrales devraient être sujettes à des instabilités et donc moins probables pour survivre jusqu'à nos jours. Cela peut expliquer le « Freeman limite » à la densité de masse de surface centrale observé de galaxies spirale, qui est à peu près une ₀ / G . Cette échelle doit être intégrée à la main dans des modèles de formation de galaxies basés sur la matière noire.
• Les galaxies particulièrement massives se situent dans le régime newtonien ( a > a ₀ ) jusqu'à des rayons englobant la grande majorité de leur masse baryonique. A ces rayons, MOND prédit que la courbe de rotation devrait descendre comme 1/ r , conformément aux lois de Kepler . En revanche, du point de vue de la matière noire, on s'attendrait à ce que le halo augmente considérablement la vitesse de rotation et l'asymptote à une valeur constante, comme dans les galaxies moins massives. Les observations d'elliptiques de masse élevée confirment la prédiction MOND.
• Dans MOND, tous les objets liés gravitationnellement avec un < a ₀ - quelle que soit leur origine - devraient présenter un écart de masse lorsqu'ils sont analysés à l'aide de la mécanique newtonienne, et devraient se trouver sur le BTFR. Selon l'hypothèse de la matière noire, les objets formés à partir de matière baryonique éjectée lors de la fusion ou de l'interaction de marée de deux galaxies (" galaxies naines de marée ") devraient être dépourvus de matière noire et donc ne présenter aucune différence de masse. Trois objets identifiés sans ambiguïté comme des galaxies naines de marée semblent avoir des écarts de masse en accord étroit avec la prédiction MOND.
• Des travaux récents ont montré que de nombreuses galaxies naines autour de la Voie lactée et d'Andromède sont situées préférentiellement dans un seul plan et ont des mouvements corrélés. Cela suggère qu'elles peuvent s'être formées lors d'une rencontre rapprochée avec une autre galaxie et donc être des galaxies naines de marée. Si tel est le cas, la présence d'écarts de masse dans ces systèmes constitue une preuve supplémentaire de MOND. De plus, il a été affirmé qu'une force gravitationnelle plus forte que celle de Newton (comme celle de Milgrom) est nécessaire pour que ces galaxies conservent leurs orbites au fil du temps.
• En 2020, un groupe d'astronomes analysant les données de l'échantillon de Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves (SPARC) ainsi que des estimations du champ gravitationnel externe à grande échelle d'un catalogue de galaxies dans tout le ciel, a conclu qu'il y avait des preuves statistiquement significatives de violations. du principe d'équivalence forte dans les champs gravitationnels faibles au voisinage des galaxies supportées en rotation. Ils ont observé un effet cohérent avec l'effet de champ externe de la dynamique newtonienne modifiée et incompatible avec les effets de marée dans le paradigme du modèle Lambda-CDM communément appelé modèle standard de cosmologie.

Compléter les hypothèses MOND

La loi de Milgrom doit être incorporée dans une hypothèse complète si elle veut satisfaire les lois de conservation et fournir une solution unique pour l'évolution temporelle de tout système physique. Chacune des théories décrites ici se réduit à la loi de Milgrom dans des situations de haute symétrie (et bénéficie ainsi des succès décrits ci-dessus), mais produit un comportement différent en détail.

Non relativiste

La première hypothèse de MOND (baptisée AQUAL ) a été construite en 1984 par Milgrom et Jacob Bekenstein . AQUAL génère un comportement MONDian en modifiant le terme gravitationnel dans le lagrangien classique d'être quadratique dans le gradient du potentiel newtonien à une fonction plus générale. (AQUAL est l'acronyme de A QUAdratic Lagrangian.) Dans les formules :

${\displaystyle {\begin{aligned}{\mathcal {L}}_{\text{Newton}}&=-{\frac {1}{8\pi G}}\cdot \|\nabla \phi \| ^{2}\\[6pt]{\mathcal {L}}_{\text{AQUAL}}&=-{\frac {1}{8\pi G}}\cdot a_{0}^{2} F\gauche({\tfrac {\|\nabla \phi \|^{2}}{a_{0}^{2}}}\right)\end{aligned}}}$

où est le potentiel gravitationnel newtonien standard et F est une nouvelle fonction sans dimension. L'application classique des équations d'Euler-Lagrange conduit alors à une généralisation non-linéaire de l' équation de Newton-Poisson : ${\style d'affichage \phi }$

${\displaystyle \nabla \cdot \left[\mu \left({\frac {\left\|\nabla \phi \right\|}{a_{0}}}\right)\nabla \phi \right]= 4\pi G\rho }$

Ceci peut être résolu étant donné les conditions aux limites appropriées et le choix de F pour produire la loi de Milgrom (jusqu'à une correction de champ de curl qui s'annule dans les situations de symétrie élevée).

Une autre façon de modifier le terme gravitationnel dans le lagrangien est d'introduire une distinction entre le vrai champ d'accélération (MONDien) a et le champ d'accélération newtonien a _N . Le lagrangien peut être construit de sorte que a _N satisfait l'équation habituelle de Newton-Poisson, et est ensuite utilisé pour trouver un via un algébrique supplémentaire , mais pas non linéaire, qui est choisie pour satisfaire la loi de Milgrom. C'est ce qu'on appelle la "formulation quasi-linéaire de MOND", ou QUMOND, et est particulièrement utile pour calculer la distribution de la matière noire "fantôme" qui serait déduite d'une analyse newtonienne d'une situation physique donnée.

AQUAL et QUMOND proposent tous deux des changements à la partie gravitationnelle de l'action classique de la matière, et interprètent donc la loi de Milgrom comme une modification de la gravité newtonienne par opposition à la deuxième loi de Newton. L'alternative est de transformer le terme cinétique de l'action en une fonctionnelle dépendant de la trajectoire de la particule. De telles théories "à inertie modifiée", cependant, sont difficiles à utiliser car elles sont temporellement non locales, nécessitent une redéfinition non triviale de l' énergie et de la quantité de mouvement pour être conservées, et ont des prédictions qui dépendent de l'intégralité de l'orbite d'une particule.

Relativiste

En 2004, Jacob Bekenstein a formulé TeVeS , la première hypothèse relativiste complète utilisant le comportement MONDien. TeVeS est construit à partir d'un lagrangien local (et respecte donc les lois de conservation), et utilise un champ de vecteurs unitaire , un champ scalaire dynamique et non dynamique , une fonction libre et une métrique non einsteinienne afin de produire AQUAL dans le non relativiste limite (faibles vitesses et faible gravité). TeVeS a connu un certain succès en établissant un contact avec les observations de lentilles gravitationnelles et de formation de structures , mais fait face à des problèmes lorsqu'il est confronté à des données sur l' anisotropie du fond diffus cosmologique , la durée de vie des objets compacts et la relation entre les potentiels de lentille et de surdensité de matière.

Plusieurs généralisations relativistes alternatives de MOND existent, y compris BIMOND et les théories généralisées d'Einstein-Aether. Il existe également une généralisation relativiste de MOND qui suppose une invariance de type Lorentz comme base physique de la phénoménologie de MOND.

L'effet de champ externe

En mécanique newtonienne, l'accélération d'un objet peut être trouvée comme la somme vectorielle de l'accélération due à chacune des forces individuelles agissant sur lui. Cela signifie qu'un sous - système peut être découplé du système plus large dans lequel il est intégré simplement en rapportant le mouvement de ses particules constitutives à leur centre de masse ; en d'autres termes, l'influence du système plus large n'est pas pertinente pour la dynamique interne du sous-système. La loi de Milgrom étant non linéaire en accélération, les sous-systèmes MONDiens ne peuvent pas être ainsi découplés de leur environnement, ce qui conduit dans certaines situations à un comportement sans parallèle newtonien. C'est ce qu'on appelle "l'effet de champ externe" (EFE), pour lequel il existe des preuves d'observation.

L'effet de champ externe est mieux décrit en classant les systèmes physiques en fonction de leurs valeurs relatives de a _in (l'accélération caractéristique d'un objet dans un sous-système due à l'influence d'un autre), a _ex (l'accélération de l'ensemble du sous-système due aux forces exercées par des objets extérieurs), et un ₀ :

• ${\displaystyle a_{\mathrm {in} }>a_{0}}$ : régime newtonien

• ${\displaystyle a_{\mathrm {ex} }<a_{\mathrm {in} }<a_{0}}$ : Régime Deep-MOND

• ${\displaystyle a_{\mathrm {in} }<a_{0}<a_{\mathrm {ex} }}$ : Le champ extérieur est dominant et le comportement du système est newtonien.

• ${\displaystyle a_{\mathrm {in} }<a_{\mathrm {ex} }<a_{0}}$ : Le champ externe est plus grand que l'accélération interne du système, mais les deux sont inférieurs à la valeur critique. Dans ce cas, la dynamique est newtonienne mais la valeur effective de G est augmentée d'un facteur a ₀ / a _ex .

L'effet de champ externe implique une rupture fondamentale avec le principe d'équivalence forte (mais pas nécessairement le principe d'équivalence faible ). L'effet a été postulé par Milgrom dans le premier de ses articles de 1983 pour expliquer pourquoi certains amas ouverts ont été observés sans écart de masse même si leurs accélérations internes étaient inférieures à ₀ . Il a depuis été reconnu comme un élément crucial du paradigme MOND.

La dépendance dans MOND de la dynamique interne d'un système sur son environnement externe (en principe, le reste de l' univers ) rappelle fortement le principe de Mach , et peut suggérer une structure plus fondamentale sous-jacente à la loi de Milgrom. À cet égard, Milgrom a commenté :

Il a été longtemps soupçonné que la dynamique locale est fortement influencée par l'univers dans son ensemble, un-la principe de Mach, mais MOND semble être le premier à fournir des preuves concrètes d'une telle connexion. Cela peut s'avérer être l'implication la plus fondamentale de MOND, au-delà de sa modification implicite de la dynamique newtonienne et de la relativité générale, et au-delà de l'élimination de la matière noire.

En effet, le lien potentiel entre la dynamique MONDienne et l'univers dans son ensemble (c'est-à-dire la cosmologie) est augmenté par l'observation que la valeur de a ₀ (déterminée par des ajustements aux propriétés internes des galaxies) est dans un ordre de grandeur de cH ₀ , où c est la vitesse de la lumière et H ₀ est la constante de Hubble (une mesure du taux d'expansion actuel de l'univers). Elle est également proche du taux d'accélération de l'univers , et donc de la constante cosmologique . Cependant, aucune hypothèse complète n'a encore été construite qui manifeste ces connexions d'une manière naturelle.

Réponses et critiques

Explication de la matière noire

Tout en reconnaissant que la loi de Milgrom fournit une description succincte et précise d'une gamme de phénomènes galactiques, de nombreux physiciens rejettent l'idée que la dynamique classique elle-même doit être modifiée et tentent plutôt d'expliquer le succès de la loi en faisant référence au comportement de la matière noire. Certains efforts ont été faits pour établir la présence d'une échelle d'accélération caractéristique comme conséquence naturelle du comportement des halos de matière noire froide, bien que Milgrom ait soutenu que de tels arguments n'expliquent qu'un petit sous-ensemble des phénomènes MOND . Une proposition alternative est de modifier les propriétés de la matière noire (par exemple, pour la faire interagir fortement avec elle-même ou avec les baryons) afin d'induire le couplage étroit entre la masse baryonique et de matière noire que les observations indiquent. Enfin, certains chercheurs suggèrent qu'expliquer le succès empirique de la loi de Milgrom nécessite une rupture plus radicale avec les hypothèses conventionnelles sur la nature de la matière noire. Une idée (surnommée « matière noire dipolaire ») est de rendre la matière noire gravitationnellement polarisable par la matière ordinaire et de faire en sorte que cette polarisation augmente l'attraction gravitationnelle entre les baryons.

Problèmes en suspens pour MOND

Le problème le plus sérieux auquel la loi de Milgrom est confrontée est qu'elle ne peut pas éliminer complètement le besoin de matière noire dans tous les systèmes astrophysiques : les amas de galaxies montrent une différence de masse résiduelle même lorsqu'ils sont analysés à l'aide de MOND. Le fait qu'une certaine forme de masse invisible doive exister dans ces systèmes nuit à l'élégance de MOND comme solution au problème de masse manquante, bien que la quantité de masse supplémentaire requise soit un cinquième de celle d'une analyse newtonienne, et il n'y a aucune exigence que la masse manquante soit non baryonique. Il a été supposé que des neutrinos de 2 eV pourraient expliquer les observations d'amas dans MOND tout en préservant les succès de l'hypothèse à l'échelle de la galaxie. En effet, l'analyse des données de lentilles nettes pour l'amas de galaxies Abell 1689 montre que MOND ne devient distinctif qu'à une distance Mpc du centre, de sorte que l'énigme de Zwicky demeure et que des neutrinos de 1,8 eV sont nécessaires dans les amas.

L'observation en 2006 d'une paire d'amas de galaxies en collision connue sous le nom de " Bullet Cluster ", pose un défi important pour toutes les théories proposant une solution gravitationnelle modifiée au problème de la masse manquante, y compris MOND. Les astronomes ont mesuré la distribution de la masse stellaire et gazeuse dans les amas à l'aide de la lumière visible et des rayons X , respectivement, et ont en outre cartographié la densité de matière noire déduite à l'aide de lentilles gravitationnelles. Dans MOND, on s'attendrait à ce que la "masse manquante" soit centrée sur des régions de masse visible qui subissent des accélérations inférieures à ₀ (en supposant que l'effet de champ externe est négligeable). Dans ΛCDM, d'autre part, on s'attendrait à ce que la matière noire soit significativement décalée de la masse visible car les halos des deux amas en collision se traverseraient (en supposant, comme il est conventionnel, que la matière noire est sans collision), tandis que le gaz en grappe interagirait et se retrouverait au centre. Un décalage est clairement visible dans les observations. Il a cependant été suggéré que les modèles basés sur MOND pourraient être capables de générer un tel décalage dans des systèmes fortement non symétriques sphériquement, tels que le Bullet Cluster.

Une preuve significative en faveur de la matière noire standard est l' anisotropie observée dans le fond diffus cosmologique . Alors que ΛCDM est capable d'expliquer le spectre de puissance angulaire observé, MOND a beaucoup plus de mal. MOND rencontre également des difficultés pour expliquer la formation de la structure , les perturbations de densité dans MOND se développant trop tard pour former les galaxies et les amas observés aujourd'hui.

Plusieurs autres études ont noté des difficultés d'observation avec MOND. Par exemple, il a été affirmé que MOND s'adapte mal au profil de dispersion de vitesse des amas globulaires et au profil de température des amas de galaxies, que différentes valeurs de ₀ sont nécessaires pour s'accorder avec les courbes de rotation des différentes galaxies, et que MOND est naturellement inapte à fonder une hypothèse de la cosmologie. De plus, de nombreuses versions de MOND prédisent que la vitesse de la lumière est différente de la vitesse de la gravité, mais en 2017, la vitesse des ondes gravitationnelles a été mesurée comme étant égale à la vitesse de la lumière.

Outre ces problèmes d'observation, MOND et ses généralisations relativistes sont en proie à des difficultés théoriques. Plusieurs ajouts ad hoc et inélégants à la relativité générale sont nécessaires pour créer une hypothèse avec une limite non relativiste non newtonienne, la pléthore de différentes versions de l'hypothèse offre des prédictions divergentes dans des situations physiques simples et rend ainsi difficile de tester le cadre de manière concluante , et certaines formulations (principalement celles basées sur l'inertie modifiée) ont longtemps souffert d'une mauvaise compatibilité avec des principes physiques chéris tels que les lois de conservation.

Propositions pour tester MOND

Plusieurs tests observationnels et expérimentaux ont été proposés pour aider à faire la distinction entre MOND et les modèles basés sur la matière noire :

• La détection de particules aptes à constituer la matière noire cosmologique suggérerait fortement que le ΛCDM est correct et qu'aucune modification des lois de Newton n'est requise.
• Si MOND est considéré comme une théorie de l'inertie modifiée, il prédit l'existence d'accélérations anormales sur la Terre à des endroits et à des moments particuliers de l'année. Ceux-ci pourraient être détectés dans une expérience de précision. Cette prédiction ne tiendrait pas si MOND était considéré comme une théorie de la gravité modifiée, car l'effet de champ externe produit par la Terre annulerait les effets MONDian à la surface de la Terre.
• Il a été suggéré que MOND pourrait être testé dans le système solaire à l'aide de la mission LISA Pathfinder (lancée en 2015). En particulier, il peut être possible de détecter les contraintes de marée anormales prédites par MOND pour exister au point de selle Terre-Soleil du potentiel gravitationnel newtonien. Il peut également être possible de mesurer les corrections MOND de la précession du périhélie des planètes du système solaire, ou d'un vaisseau spatial spécialement conçu.
• Un test astrophysique potentiel de MOND consiste à déterminer si les galaxies isolées se comportent différemment des galaxies par ailleurs identiques qui sont sous l'influence d'un fort champ externe. Une autre consiste à rechercher un comportement non newtonien dans le mouvement des systèmes d'étoiles binaires où les étoiles sont suffisamment séparées pour que leurs accélérations soient inférieures à a ₀ .
• Tester MOND en utilisant la dépendance vers le rouge de l'accélération radiale - Sabine Hossenfelder et Tobias Mistele proposent un modèle MOND sans paramètre qu'ils appellent Covariant Emergent Gravity et suggèrent qu'à mesure que les mesures de l'accélération radiale s'améliorent, divers modèles MOND et particules de matière noire pourraient être distingués parce que MOND prédit une dépendance au redshift beaucoup plus faible.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Technique:

• Merritt, David (2020). A Philosophical Approach to MOND: Assessing the Milgromian Research Program in Cosmology (Cambridge: Cambridge University Press ), 282 pp. ISBN  9781108492690
• Milgrom, Mordehai (2014). "Le paradigme MOND de la dynamique modifiée" . Scholarpedia . 9 (6): 31410. bibcode : 2014SchpJ ... 931410M . doi : 10.4249/scholarpedia.31410 .
• Famaey, Benoît ; McGaugh, Stacy S. (2012). "Dynamique Newtonienne Modifiée (MOND): Phénoménologie Observationnelle et Extensions Relativistes" . Critiques vivantes en relativité . 15 (1) : 10. arXiv : 1112.3960 . Bibcode : 2012LRR .... 15 ... 10F . doi : 10.12942/lrr-2012-10 . PMC  5255531 . PMID  28163623 .
• McGaugh, Stacy S. (2015). « Un conte de deux paradigmes : L'incommensurabilité mutuelle de ΛCDM et MOND ». Revue canadienne de physique . 93 (2) : 250-259. arXiv : 1404.7525 . Bibcode : 2015CaJPh..93..250M . doi : 10.1139/cjp-2014-0203 . S2CID  51822163 .
• Milgrom, Mordehai (2015). "Théorie MOND". Revue canadienne de physique . 93 (2) : 107-118. arXiv : 1404.7661 . Bibcode : 2015CaJPh..93..107M . doi : 10.1139/cjp-2014-0211 . S2CID  119183394 .
• Kroupa, Pavel (2015). « Galaxies en tant que systèmes dynamiques simples : les données d'observation défavorisent la matière noire et la formation d'étoiles stochastiques ». Revue canadienne de physique . 93 (2) : 169-202. arXiv : 1406.4860 . Bibcode : 2015CaJPh..93..169K . doi : 10.1139/cjp-2014-0179 . S2CID  118479184 .
• Clifton, Timothée ; Ferreira, Pedro G.; Padilla, Antonio ; Skordis, Constantinos (2012). « Gravité modifiée et cosmologie ». Rapports de physique . 513 (1–3) : 1–189. arXiv : 1106.2476 . Bibcode : 2012PhR ... 513 .... 1C . doi : 10.1016/j.physrep.2012.01.001 . S2CID  119258154 .
• Mannheim, P. (2006). "Alternatives à la matière noire et à l'énergie noire". Progrès en physique des particules et nucléaire . 56 (2) : 340-445. arXiv : astro-ph/0505266 . Bibcode : 2006PrPNP..56..340M . doi : 10.1016/j.ppnp.2005.08.001 . S2CID  14024934 .

Populaire:

• Un modèle non standard , David Merritt, Aeon Magazine, juillet 2021
• Les critiques de la matière noire se concentrent sur les détails, ignorent la grande image , Lee, 14 novembre 2012
• Milgrom, Mordehai (2009). "MOND : Il est temps de changer d'avis ?". arXiv : 0908.3842 [ astro-ph.CO ].
• Les sceptiques de la "matière noire" ne sont pas encore réduits au silence , World Science, 2 août 2007
• La matière noire existe-t-elle vraiment ? , Milgrom, Scientific American, août 2002

Liens externes

• Médias liés à la dynamique newtonienne modifiée sur Wikimedia Commons

• Les pages MOND , Stacy McGaugh
• Site Internet de Mordehai Milgrom
• Blog "La crise de la matière noire" , Pavel Kroupa, Marcel Pawlowski
• Le site de Pavel Kroupa
• Hossenfelder, Sabine (1er février 2016). "L'Univers superfluide" . Récupéré le 2 février 2016 . La matière noire superfluide peut fournir un moyen plus naturel d'arriver à l'équation MOND.