En 1969, l’astronome américaine Vera Rubin a intrigué ses observations sur la galaxie d’Andromède tentaculaire, la plus grande voisine de la Voie lactée. En cartographiant les bras en spirale rotatifs des étoiles à travers des spectres qu’elle et ses collègues avaient soigneusement mesurés à l’Observatoire national de Kitt Peak et à l’Observatoire de Lowell, tous deux en Arizona, elle a remarqué quelque chose d’étrange: les étoiles à la périphérie de la galaxie semblaient orbiter beaucoup trop vite. Si vite qu’elle s’attendait à ce qu’ils fuient Andromède et s’évadent dans les cieux au-delà. Pourtant, les étoiles tourbillonnantes sont restées en place.

La recherche de Rubin , qu’elle a étendue à des dizaines d’autres galaxies spirales, a conduit à une dilemme dramatique: soit il y avait beaucoup plus de matière là-bas, sombre et cachée à la vue mais tenant les galaxies ensemble avec son attraction gravitationnelle, ou la gravité fonctionne d’une manière ou d’une autre très vaste à l’échelle d’une galaxie que les scientifiques ne le pensaient auparavant.

Sa découverte influente n’a jamais valu à Rubin un prix Nobel, mais les scientifiques ont commencé à chercher des signes de matière noire partout, autour des étoiles et des nuages ​​de gaz et parmi les plus grandes structures des galaxies de l’Univers. Dans les années 1970, l’astrophysicien Simon White de l’Université de Cambridge a fait valoir qu’il pouvait expliquer les agglomérations de galaxies avec un modèle dans lequel la majeure partie de la matière de l’Univers est sombre, dépassant de loin tous les atomes de toutes les étoiles du ciel. Au cours de la décennie suivante, White et d’autres se sont appuyés sur ces recherches en simulant la dynamique de particules de matière noire hypothétiques sur les ordinateurs les moins conviviaux de la journée.

Mais malgré ces avancées, au cours du dernier demi-siècle, personne n’a jamais directement détecté une seule particule de matière noire. Maintes et maintes fois, la matière noire a résisté à être épinglée, comme une ombre fugace dans les bois. Chaque fois que les physiciens ont recherché des particules de matière noire avec des expériences puissantes et sensibles dans des mines abandonnées et dans Antarctique , et chaque fois qu’ils ont essayé de les produire dans des accélérateurs de particules, ils sont revenus les mains vides. Pendant un certain temps, les physiciens espéraient trouver un type théorique de matière appelé particules massives à faible interaction (WIMP), mais les recherches n’ont à plusieurs reprises rien révélé.

Avec la candidature WIMP presque morte , la matière noire est apparemment la chose la plus omniprésente que les physiciens n’aient jamais trouvée. Et tant qu’il n’est pas trouvé, il est toujours possible qu’il n’y ait pas de matière noire du tout. Une alternative demeure: au lieu d’énormes quantités de matière cachée, un aspect mystérieux de la gravité pourrait plutôt déformer le cosmos.

L’idée que la gravité se comporte différemment à grande échelle a été reléguée à la frange depuis l’apogée de Rubin et White dans les années 1970. Mais maintenant, il est temps d’envisager la possibilité. Les scientifiques et les équipes de recherche devraient être encouragés à rechercher des alternatives à la matière noire. Les conférences et les comités de subventions devraient permettre aux physiciens de développer ces théories et de concevoir de nouvelles expériences. Peu importe qui se révèle être le bon, de telles recherches sur les alternatives aident finalement à cristalliser la démarcation entre ce que nous ne savons pas et ce que nous faisons. Il encouragera les questions difficiles, stimulera les études de reproductibilité, percera les points faibles des théories et inspirera une nouvelle réflexion sur la voie à suivre. Et cela nous obligera à décider quels types de preuves nous devons croire en quelque chose que nous ne pouvons pas voir.

Nous sommes déjà venus ici. Au début des années 1980, le physicien israélien Mordehai ‘Moti’ Milgrom a remis en question le récit de plus en plus populaire sur la matière noire . Tout en travaillant dans un institut au sud de Tel-Aviv, il a étudié les mesures de Rubin et d’autres et a proposé que les physiciens n’aient pas manqué de matière; au lieu de cela, ils avaient supposé à tort qu’ils comprenaient parfaitement le fonctionnement de la gravité. Étant donné que les étoiles extérieures et les nuages ​​de gaz orbitent sur les galaxies beaucoup plus rapidement que prévu, il est plus logique d’essayer de corriger la vision standard de la gravité que d’évoquer un tout nouveau type de matière.

Milgrom a proposé que la deuxième loi du mouvement d’Isaac Newton (décrivant comment la force gravitationnelle agissant sur un objet varie avec son accélération et sa masse) change très légèrement, en fonction de l’accélération de l’objet. Des planètes comme Neptune ou Uranus en orbite autour de notre soleil, ou des étoiles en orbite près du centre de notre galaxie, ne ressentent pas la différence. Mais loin dans les régions périphériques de la Voie lactée, les étoiles ressentiraient une force gravitationnelle plus petite que ce que l’on pensait auparavant de la majeure partie de la matière dans la galaxie; ajuster la loi de Newton pourrait expliquer les vitesses mesurées par Rubin, sans avoir besoin d’invoquer la matière noire.

Développer le paradigme d’un univers sans matière noire est devenu le projet de vie de Milgrom. Au début, il a travaillé principalement de manière isolée sur sa proto-théorie, qu’il a appelée Modified Newtonian Dynamics (MOND). «Pendant plus de quelques années, j’étais le seul», dit-il. Mais lentement, d’autres scientifiques ont tourné en rond.

Lui et une poignée d’autres se sont d’abord concentrés sur les galaxies tournantes, où MOND décrit avec précision ce que Rubin a observé au moins aussi bien que les théories de la matière noire. Milgrom et ses collègues ont ensuite élargi la portée de leurs recherches, prédisant une relation entre la vitesse à laquelle l’extérieur d’une galaxie tourne et la masse totale de la galaxie, moins toute matière noire. Les astronomes R Brent Tully et J Richard Fisher ont mesuré et ont confirmé une telle tendance, que beaucoup Les modèles de matière noire ont eu du mal à expliquer.

Lorsque l’espace-temps se courbe d’une manière particulière, il crée l’illusion de matière noire

Malgré ces succès , La modification par Milgrom de la deuxième loi de Newton n’est restée qu’une approximation, ce qui a fait que ses idées n’ont pas répondu aux exigences d’une théorie à part entière. Cela a commencé à changer lorsque le collègue de Milgrom Jacob Bekenstein à l’Université hébraïque de Jérusalem a étendu MOND à montrer qu’elle pourrait être cohérente avec la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, qui prédit que la gravité a le pouvoir de plier les rayons lumineux, une idée prouvé il y a un peu plus d’un siècle, lors d’une éclipse solaire en 1919, et aujourd’hui connu sous le nom de «  lentille gravitationnelle  ».

Vers la même époque, le L’astronome américain Edwin Hubble a remarqué que ses collègues avaient considéré que des groupes proches de nuages ​​de gaz étaient en réalité des galaxies beaucoup plus éloignées. S’appuyant sur la découverte de Hubble, d’autres astronomes ont démontré l’existence de structures cosmiques plus grandes maintenant connues sous le nom d’amas de galaxies, qui ont le pouvoir d’agir comme des lentilles puissantes, courbant fortement les rayons lumineux. En utilisant des formules basées sur des prédictions d’Einstein, il est possible d’inférer la masse d’une lentille cosmique. Sur la base de ces mathématiques, de nombreux physiciens ont utilisé la lentille gravitationnelle comme argument pour l’existence de la matière noire. Mais Bekenstein a montré que la relativité générale et le MOND pouvaient également expliquer au moins certaines mesures de lentille qui ont été faites.

Malgré cela, ces idées n’ont été que partiellement formées. En effet, Milgrom et Bekenstein ne savaient toujours pas ce qui, en physique, pouvait créer une loi modifiée de la gravité.

MOND manquait de beaucoup de bases jusqu’à il y a quelques années, lorsque le physicien néerlandais Erik Verlinde a commencé à développer une théorie connue sous le nom de «gravité émergente» pour expliquer pourquoi la gravité a été modifiée. Dans la vue de Verlinde , la gravité, y compris MOND, apparaît comme une sorte d’effet thermodynamique , liée à l’augmentation de l’entropie ou du trouble. Ses idées s’appuient également sur la physique quantique, considérant l’espace-temps et la matière qui s’y trouve comme provenant d’un réseau interconnecté de bits quantiques. Lorsque l’espace-temps est incurvé, il produit de la gravité et s’il est incurvé d’une manière particulière, il crée l’illusion de matière noire.

Les recherches de Verlinde attendent toujours d’être étoffées. On ne sait toujours pas, par exemple, comment la gravité modifiée ou émergente peut donner un sens à la structure du jeune univers, discernée par le rayonnement relique laissé par le Big Bang. Les astrophysiciens ont utilisé des télescopes spatiaux pour cartographier ce rayonnement avec des détails incroyables, mais ils n’ont pas encore trouvé de moyen de faire des modèles sans matière noire cohérents avec les mesures. «  Ce n’est pas comme si cette idée de la gravité émergente pouvait rivaliser  », dit Verlinde, mais avec le temps, cela pourrait devenir une véritable alternative à la matière noire.

D les théories de la matière de l’arche font aussi des prédictions: si cette forme de matière existe, de nombreuses ténèbres subatomiques les particules de matière devraient fréquemment siffler à travers notre système solaire, à travers la Terre, et même parfois zipper à travers notre corps. Mais s’il existe en effet d’énormes quantités de matière noire, enveloppant chaque galaxie de l’Univers tout en étant invisibles et non ressenties partout, alors les petites particules insaisissables n’interagiront généralement pas avec la matière normale d’une manière que quiconque remarquerait. Cela rend réellement leur détection une tâche formidable.

Alors que les astrophysiciens gardaient leurs yeux entraînés sur le ciel, les physiciens des particules ont cherché à faire la lumière sur la matière noire en créant des particules plausibles dans leurs accélérateurs, comme les puissants Grand collisionneur de hadrons (LHC) à Genève, Suisse. Destiné à recréer des conditions telles que lors du Big Bang, le LHC écrase les particules à grande vitesse de sorte que, en rafales d’énergie, il produit de nouvelles particules. Ces particules passent à travers une série de détecteurs, qui permettent aux physiciens de les identifier.

Avec le LHC et ses prédécesseurs, par exemple, au Fermilab à l’ouest de Chicago, les scientifiques ont réussi à trouver les 17 particules prédite par le «modèle standard» de la physique des particules, qui inclut toutes les forces fondamentales autres que la gravité. (Ils ont repéré la dernière particule standard, le boson de Higgs, avec le LHC en 2012.) En raison de cette série de succès, les physiciens étaient optimistes quant à la découverte prochaine de particules de matière noire, écrit Dan Hooper, un physicien du Fermilab, dans son livre Au bord du temps (2019).

L’intérêt pour la matière noire a engendré une nouvelle génération d’expériences, dont Hooper et ses collègues espéraient qu’ils finiraient par localiser les particules mystérieuses. Les scientifiques du monde entier ont construit des détecteurs profondément sous la Terre, réutilisant souvent de vieilles mines, dans le but de trouver des particules de matière noire tout en évitant le bruit cacophonique des rayons cosmiques et des particules solaires qui bombarderaient n’importe quel détecteur au-dessus du sol. Les particules de matière noire pourraient voler silencieusement à travers un détecteur en xénon ou en d’autres matériaux et laisser un signe de leur passage sous forme de chaleur, selon les chercheurs. Si les expériences se déroulaient comme prévu, les scientifiques repèreraient enfin les particules de matière noire et annonceraient une nouvelle ère de cosmologie et de physique des particules.

Si des particules de matière noire existent, il sera extrêmement difficile d’en attraper aperçu

Mais les expériences n’ont révélé aucun signe positif, et les espoirs initiaux des chercheurs ont été anéantis. En fait, les expériences incapables de trouver un soupçon de matière noire n’ont finalement montré que des preuves de ce qu’est la matière noire ne pas. Avec chaque nouvelle expérience, la gamme de matière non sombre s’est élargie. Les physiciens ont commencé à comprendre que, s’il existe des particules de matière noire, il sera extrêmement difficile de les apercevoir.

En particulier, la situation semble sombre pour les WIMPs, qui avaient été candidat à la matière noire le plus populaire. Les chercheurs ont continué d’élargir leurs recherches, recherchant des particules de masse toujours plus faible, puis des particules encore plus petites, mais n’ont rien trouvé. Quelques équipes continuent la chasse aux WIMP avec des détecteurs de plus en plus sensibles, mais dans quelques années, elles atteindront la plus petite plage de masse, lorsqu’une particule putative de matière noire interagirait avec un détecteur de la même manière que le font les neutrinos vaporeux du Soleil, arrêter efficacement la recherche WIMP. «Alors nous aurons terminé. Vous pouvez voir que la fin est en vue pour les WIMP. Cela peut inciter les gens à penser à de nouvelles choses  », explique Peter Graham, physicien théoricien à l’Université de Stanford en Californie.

Mais si la fin est proche pour les WIMP, ce n’est certainement pas la fin de l’histoire pour les recherches de matière noire, affirme Graham. Les scientifiques commencent déjà à affluer vers d’autres particules viables, en particulier les axions. S’ils existent, les axions seraient des milliards de fois moins massifs que les WIMP, et donc ils devraient être incroyablement abondants pour s’additionner à la masse attendue de matière noire. D’autres candidats, sans doute plus exotiques, comprennent les soi-disant «  neutrinos stériles  » et les minuscules trous noirs primordiaux, une version de MACHO (pour les «  objets halo compacts massifs  »).

Quelques scientifiques, dont Hooper, a même proposé des particules hypothétiques qui subissent des forces cachées. Ces particules sombres, si elles existent, s’anéantiraient puis se désintégreraient en d’autres particules qui pourraient d’une manière ou d’une autre être couplées à des particules connues telles que le boson de Higgs. C’est plausible, mais personne n’a encore clairement détecté aucune de ces particules ou forces cachées.

Alors que les recherches de particules sombres faiblissent, Milgrom a vu plus de physiciens s’ouvrir à la gravité modifiée ces derniers temps. années. « Les gens ne sont pas tout à fait déçus, mais il y a beaucoup de déception quant au fait que la matière noire n’a pas été détectée », a-t-il déclaré. « Pour moi, ce n’est pas la meilleure raison de travailler sur MOND, mais je suis heureux de voir plus d’intérêt. » Il reste à voir si cet intérêt se traduira éventuellement par une expansion des recherches sur la gravité modifiée.

H détruit sinon des milliers d’astrophysiciens , les astronomes et les physiciens des particules étudient désormais tous les aspects de la matière noire et toutes les empreintes qu’elle pourrait avoir sur le cosmos, avec des ordinateurs, des télescopes et des accélérateurs de particules à la pointe de la technologie. La recherche sur la matière noire a éclipsé la recherche sur la gravité modifiée pendant des décennies, mais cela ne signifie pas nécessairement que la matière noire est une théorie beaucoup plus convaincante. Au lieu de cela, au début, certains scientifiques pensaient que c’était une solution naturelle, d’autres suivaient leur point de vue et les écailles inclinées sur le côté.

La dominance apparente d’aujourd’hui de la matière noire n’était pas inévitable. Les processus par lesquels les scientifiques développent des théories sont fortement influencés par toutes sortes de facteurs historiques et sociologiques, un point éloquemment souligné par Andrew Pickering, philosophe émérite des sciences à l’Université d’Exeter et auteur de Construction de quarks ( 1984), un livre de 36 ans qui est toujours

Il est important de faire attention à qui décide des phénomènes à étudier, des recherches qui obtiennent des subventions importantes du gouvernement, des grandes expériences financées, des opportunités de parole lors de conférences scientifiques, des avertis des médias, qui remporte des bourses et des prix de premier plan, et qui est promu à des postes de professeurs de haut niveau. Différents choix peuvent parfois façonner la trajectoire future de la science. Et lorsque les choix des théoriciens et des expérimentateurs coïncident symbiotiquement, soutient Pickering, il peut être difficile pour une théorie parvenue – comme la gravité modifiée – d’obtenir une audition équitable.

L’entreprise de la science n’est pas  » t une voie particulièrement efficace ou directe vers «la vérité». Néanmoins, nous ne devons pas désespérer, soutient Naomi Oreskes, historienne des sciences à l’Université Harvard dans le Massachusetts et auteur du livre Pourquoi faire confiance à Science? (2019). Bien que les scientifiques individuels soient faillibles et aient leurs propres valeurs et objectifs et, parfois, des axes à moudre, la science en tant qu’affaire collective se poursuit. Les chercheurs peuvent faire des faux pas ici et là, ils peuvent prendre beaucoup de temps pour examiner rigoureusement certaines revendications et en établir d’autres, et peut-être qu’un programme de recherche apparemment prometteur atteint une impasse, mais au fil du temps, les scientifiques parviennent progressivement à un consensus. Cela prend généralement un certain temps, mais ils finissent par déterminer quelles voies de recherche devraient être laissées de côté et quelles idées doivent être étudiées plus avant et affinées.

Pour la matière noire par rapport à la gravité modifiée, ce processus n’a pas fini de jouer. La matière noire est actuellement ascendante mais le débat n’est pas terminé. Les enjeux sont importants, car l’avenir de la cosmologie dépend des choix que les astrophysiciens feront ensuite.

Les scientifiques de la gravité modifiée tels que Milgrom et Verlinde font face à des défis de taille avant d’avoir une réelle chance de développer leurs idées. en une alternative valable à la matière noire. Le plus gros obstacle vient du début de l’Univers.

Les astronomes Arno Penzias et Robert Wilson dans le Années 1960 ont d’abord mal interprété le faible bruit statique de leur radiotélescope comme du bruit – peut-être à cause des pigeons se perchant et laissant des excréments dessus. Mais le signal s’est avéré être réel, et ils ont confirmé leur découverte d’ondes radio reliques qui remontent à peu de temps après le Big Bang. Puis dans les années 80 et 90, les scientifiques soviétiques et de la NASA ont utilisé leurs propres télescopes spatiaux, RELIKT-1 et COBE, pour repérer de minuscules ondulations dans ce rayonnement. John Mather et George Smoot, les physiciens qui ont dirigé les recherches du COBE, ont remporté le prix Nobel de physique 2006 pour la mesure de ces petites variations de rayonnement, qui se traduisent par des différences de densité précoces qui ont déterminé où la matière dans l’Univers était collectée et les structures des galaxies formées.

Ils prédisent beaucoup plus d’amas de matière noire que ne le suggère le nombre limité de galaxies satellites repérées jusqu’à présent

Les successeurs de Mather et Smoot ont maintenant mesuré les mouvements le rayonnement radio relique avec une précision exquise, et toute théorie réussie doit en fournir une explication. Les physiciens de la matière noire ont déjà montré que leur théorie pouvait très bien reproduire tous ces mouvements, mais la gravité modifiée ou émergente a échoué à ce test critique – jusqu’à présent. Bekenstein est décédé en 2015, mais ses successeurs tentent toujours pour rendre sa théorie de la gravité modifiée cohérente avec au moins certaines des mesures. Ce serait un grand bond en avant et un enjeu convaincant pour les sceptiques de la gravité modifiée, mais c’est une tâche majeure qui n’a pas encore été accomplie.

De tous les éléments de preuve, ces mouvements sont le plus fort. La matière noire gagne clairement. Il a fallu des décennies de travail à des centaines de scientifiques de la matière noire et d’énormes investissements dans leurs programmes de recherche pour développer des modèles qui pourraient expliquer toutes ces mesures. La gravité modifiée et émergente, avec des niveaux de financement inférieurs, reste loin derrière, mais cela ne signifie pas qu’ils doivent être abandonnés. «  Je soutiens qu’il est très peu probable que la gravité émergente soit responsable des phénomènes que nous attribuons actuellement à la matière noire  », dit Hooper, «  mais cela ne signifie pas que la gravité n’est pas émergente ou que cela ne vaut pas la peine d’être exploré.  »

De plus, les chercheurs sur la matière noire tels que White et Hooper ont leurs propres problèmes à résoudre. Les galaxies géantes, y compris la nôtre, ont généralement une poignée de petits compagnons galactiques en orbite comme des satellites. Si les physiciens de la matière noire ont raison, chacune de ces galaxies devrait être intégrée dans un énorme amas de matière noire, car les particules de matière noire et les étoiles des galaxies devraient être rassemblées par les mêmes forces gravitationnelles. Mais les dernières simulations informatiques développées par White et ses collègues présentent des différences flagrantes avec les observations des astronomes: elles prédisent beaucoup plus d’amas de matière noire que ne le suggère le nombre limité de galaxies satellites repérées jusqu’à présent. Les physiciens disent appellent ceci les ‘satellites manquants problème », car la réalité ne semble pas correspondre aux attentes de ces théoriciens.

À des échelles cosmiques beaucoup plus grandes, les astrophysiciens tentent également d’expliquer une divergence récente et déroutante: celle de l’Univers aujourd’hui semble se développer considérablement plus rapidement qu’il ne l’a fait à ses débuts. Les physiciens s’attendaient à ce que le taux d’expansion (appelé la constante de Hubble) soit le même partout, mais ils doivent maintenant expliquer la disparité. Avec les théoriciens de la matière noire incapables de résoudre l’énigme, Verlinde dit que la gravité émergente offrira peut-être une voie à suivre.

Verlinde, Milgrom et leurs collègues sont encore une petite minorité, mais la cosmologie bénéficiera si leur les rangs augmentent. Ils trouvent déjà que quelques scientifiques de la communauté de la matière noire sont réceptifs à leurs idées. Lors d’une récente conférence à laquelle il a assisté, Verlinde a remarqué un changement palpable d’acceptation. «  Je sentais qu’il y avait plus de communication et plus de volonté de discuter d’alternatives que les années précédentes  », dit-il.

Au-delà de ce travail théorique, les physiciens s’attendent à ce que des télescopes et des expériences plus grands et meilleurs portent leurs fruits, y compris le grand télescope synoptique, en cours de construction dans les montagnes sèches du nord du Chili. Cette année, les scientifiques l’ont rebaptisé Observatoire Vera C Rubin, et il aura «la première lumière» l’année prochaine. Inspirés par les travaux de Rubin, les chercheurs scruteront plus loin et plus profondément dans les cieux, cartographiant la lumière de milliards de galaxies. S’ils gardent l’esprit ouvert, leurs études pourraient éclairer à la fois la matière noire et les forces de gravité sombres. L’homonyme de Rubin continuera de provoquer de sains débats sur le vaste univers caché que nous souhaitons explorer davantage.

Cet essai a été rendu possible grâce au soutien d’une subvention à Aeon de la Fondation John Templeton. Les opinions exprimées dans cette publication sont celles de l’auteur et ne reflètent pas nécessairement les vues de la Fondation. Les bailleurs de fonds d’Aeon ne sont pas impliqués dans la prise de décision éditoriale.