Les mesures de gravité de 259 000 galaxies isolées montrent une relation particulièrement étroite entre la contribution de la matière noire et celle de la matière ordinaire, comme le prédit la théorie de la gravité émergente et une théorie gravitationnelle alternative appelée Modified Newtonian Dynamics. Cependant, les résultats semblent également être en accord avec une simulation informatique de l'univers, qui suppose que la matière noire est une "vraie chose".
Il y a eu un conflit entre les astronomes et les physiciens pendant des années. La mystérieuse matière noire observée au plus profond de l'univers est-elle réelle, ou voyons-nous les conséquences de subtiles déviations par rapport aux lois de la gravité que nous connaissons ? En 2016, le physicien néerlandais Erik Verlinde a proposé une théorie du second type :la gravité émergente.
Nouvelle recherche, publiée cette semaine dans Astronomy &Astrophysics , repousse les limites des observations de matière noire dans les régions extérieures inconnues des galaxies, en mettant divers modèles de matière noire et des théories gravitationnelles alternatives le long de la ligne.
La recherche a été menée par un groupe international d'astronomes, dirigé par Margot Brouwer (RUG et UvA). D'autres rôles importants ont été joués par Kyle Oman (RUG et Université de Durham) et Edwin Valentijn (RUG). Brouwer a déjà réalisé un premier test des idées de Verlinde en 2016; cette fois, Verlinde elle-même a également rejoint l'équipe de recherche.
La matière noire n'a jamais été observée directement - d'où son nom. Ce que les astronomes voient dans le ciel, ce sont les effets de la matière qui peuvent être présents :la courbure de la lumière des étoiles, le mouvement plus rapide que prévu des étoiles et même des effets qui affectent le mouvement de galaxies entières. Il est incontestable que tous ces effets sont causés par une gravité supplémentaire, mais la question est :voyons-nous maintenant les conséquences de la matière invisible réellement présente, ou est-ce les lois de la gravité elles-mêmes que nous ne comprenons pas encore pleinement ?
Pour répondre à cette question, la nouvelle étude utilise la même méthodologie que le premier test en 2016. Brouwer et ses collègues utilisent un programme d'une décennie de mesures photographiques numériques avec le télescope VLT Survey de l'ESO au Chili :le KiloDegree Survey (KiDS). Il mesure comment la lumière des étoiles des galaxies lointaines est déviée par la gravité avant d'atteindre nos télescopes. Alors que les mesures de tels «effets de lentille» en 2016 couvraient une zone d'environ 180 degrés carrés dans le ciel, la portée a maintenant été étendue à 1000 degrés carrés, ce qui signifie que la distribution gravitationnelle d'environ un million de galaxies différentes peut désormais être mesuré.
Brouwer et ses collègues ont sélectionné plus de 259 000 galaxies isolées, à partir desquelles ils ont pu mesurer la soi-disant « relation d'accélération radiale » (RAR). Le RAR compare la quantité de gravité à laquelle on pourrait s'attendre sur la base de la matière visible dans une galaxie à la quantité de gravité réellement présente - en d'autres termes :il détermine la quantité de gravité "supplémentaire" qui existe en plus de celle de la matière normale .
Jusqu'à présent, cette attraction gravitationnelle supplémentaire n'avait été déterminée qu'aux bords extérieurs des galaxies en observant le mouvement des étoiles, et jusqu'à cinq fois au-delà en utilisant des mesures de la vitesse de rotation du gaz froid. En utilisant les effets de lentille, les chercheurs ont maintenant réussi à mesurer le RAR à cent fois moins de force gravitationnelle qu'auparavant, et ainsi pénétrer dans les régions beaucoup plus éloignées des galaxies.
La disponibilité de données provenant d'un si grand nombre de galaxies a également permis de faire la distinction entre les résultats pour des spirales bleues relativement jeunes et des elliptiques rouges relativement anciennes - deux types de galaxies avec des histoires de formation très différentes. On s'attend donc à ce que le rapport entre la matière normale et la matière noire dans ces galaxies puisse également différer. Les modèles tels que ceux de Verlinde et MOND, en revanche, n'utilisent pas de particules de matière noire et prédisent donc une relation fixe entre la gravité attendue et la gravité mesurée - indépendamment du type de galaxie.
La nouvelle étude a révélé que les RAR des deux types de galaxies diffèrent considérablement. Cela pourrait donc être une forte indication de l'existence d'une "vraie" matière noire. Mais il y a un autre hic :le gaz. De nombreuses galaxies sont probablement enveloppées par un nuage diffus de gaz chaud, très difficile à observer. S'il n'y a presque pas de gaz autour des jeunes spirales bleues, mais beaucoup autour des vieilles elliptiques rouges (avec à peu près la même masse que les étoiles), cela pourrait expliquer la différence entre le RAR des deux types de galaxies. Afin de faire une déclaration définitive sur la différence mesurée, la quantité de gaz diffus doit donc également être mesurée avec précision.
S'il s'avère que l'excès de gaz ne peut pas expliquer la différence entre les deux types de systèmes, les résultats des mesures avec des particules de matière noire sont plus faciles à imaginer que sur la base de modèles gravitationnels alternatifs. Même dans ce cas, la bataille entre la matière noire en tant que particule et en tant que gravité alternative n'est probablement pas terminée.
