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Einstein avait tout faux

C’est la seconde fois que les équations d’Albert Einstein décrétées il y a plus d’un siècle sont mises à mal. La première fois il y a 85 ans, il avait fallu inventer l’existence d’une insaisissable matière noire censée baigner l’ensemble de l’univers pour sauver la théorie d’Einstein. Mais aujourd’hui, il n’est pas sûr qu’une telle astuce suffise, car en découvrant à partir de l’observation des galaxies une loi universelle qui contredit Einstein, Stacy McGough, un astronome américain a mis l’œuvre de celui-ci au pied du mur. Soit il est possible de la dépasser pour qu’elle intègre la fameuse nouvelle loi soit il faudra carrément s’en passer.

 

C’est le grand moment fondateur de la cosmologie moderne. Le 25 novembre 1915, Albert Einstein présente pour la première fois au public cette théorie de la relativité générale. Elle est la suite logique de la relativité restreinte publié en 1905, où il s’attache à décrire les liens intriqués entre les notions d’espace et de temps.

 

Quelle sont les conséquences de ces relations spatio-temporelle sur la vieille théorie de la gravité formulée 250 ans plutôt par Isaac Newton pour décrire cette force la ronde des astres et la chute des pommes ?

Au terme de 10 ans d’efforts, Einstein trouve une réponse en accouchant d’une équation mathématique effroyablement compliqué mais extrêmement élégante.  Désormais, la gravitation exercée  par une masse n’est plus décrite comme une force d’attraction qui s’applique à  la matière  alentours mais comme une modification de la trame de l’espace-temps. La masse crée autour d’elle une dépression spatio-temporelle qui force les corps à accélérer. Un peu comme une boule de bowling sur un matelas creuse la surface et dévie ce qui roule dessus. Le moment est historique Einstein et sa théorie deviennent les icônes de la science moderne et ainsi nait la cosmologie.

Premier grand  coup de tonnerre dans le ciel de la cosmologie moderne.

D’après  les mesures publiées par l’astronome suisse, Fritz Zwicky, qui énonce en 1933 que les galaxies, des amas,  ne tournent pas comme le prévoit la sacro-sainte équation de la relativité générale. Cet affront résulte de l’étude d’un amas particulier, celui de Coma. En mesurant le mouvement des galaxies autour du centre de l’amas, Fritz Zwicky qui en déduit sa masse via les lois d’Einstein et il compare ce résultat à celui issu de la brillance de l’amas. C’est là que cela se corse, il y a une différence entre les deux valeurs d’un facteur 500. A la vitesse ou elle tourne et étant la masse qui est censée les retenir ces  galaxies devraient être éjectées de l’amas.

Comment expliquer cette anomalie?

La théorie d’Einstein restant intouchable, Fritz Zwicky  postule l’existence d’une masse invisible qui ne participe pas à la brillance des astres, mais en contraint le mouvement. Il faudra attendre 40 ans pour que son idée finisse par s’imposer et qu’elle soit baptisée la « Matière Noire ». L’honneur d’Einstein est sauvé, mais son univers peuplé d’une mystérieuse substance a perdu de son unité.

Second coup de tonnerre dans le ciel de la cosmologie moderne

En  observant 47 galaxies, l’astronome américain Stacy McGough vient de confirmer l’existence d’une étrange loi universelle: qu’il  s’agisse d’une spirale lumineuse ou d’une nébuleuse diffuse, la masse globale d’une galaxie semble en effet toujours proportionnelle à la vitesse des étoiles qu’elle contient à la puissance 4. Le problème est que cette loi ne cadre pas avec l’existence de la matière noire postulé depuis près de 85 ans. Car, en ne s’appuyant que sur le comportement de la matière visible pour décrire le mouvement des étoiles, cette loi implique que la matière noire se répartisse de façon très homogène au sein des différents types de galaxies.  Or c’est exactement l’inverse que prévoit le modèle standard. L’anomalie est telle qu’elle fait vaciller la théorie centrale de la cosmologie. Cette fameuse relativité générale après un siècle de respect pour les sacro-saintes équations d’Einstein, le temps de la remise en question pourrait être venue.

Les recherches de Stacy McGough

Troublant, bizarre, étonnant, tels sont les mots qui reviennent pour qualifier les observations réalisées par Stacy McGough. L’astronome de l’université du Maryland aux Etats-Unis, depuis la parution de son article, les labos bruissent, la blogosphère s’affole et les spécialistes s’interrogent. Pourtant l’affaire ne se résume au départ qu’à un graph, comme il en parait chaque mois des milliers dans la littérature scientifique. En l’occurrence, un ensemble de points, traduisant la mesure de la masse de 47 galaxies et la vitesse de leurs étoiles. Mais, ces points affichent la particularité presque impeccablement pour former une droite, prouvant que cette masse et cette vitesse sont liées. Et voilà qui suffit à faire trembler tout l’édifice de la physique fondamentale patiemment élaboré durant le 20eme siècle; pour comprendre, comment s’est formé l’univers, comment sont nées les premières particules, les premières étoiles, les premières galaxies et comment se règle in fine le vaste balai cosmique.

 

En un mot cette droite qui surgit du nuage de points comme une flèche que Stacy McGough, aux thermes de 15 années de recherche, vient décocher en plein cœur de toute la cosmologie, relativité d’Einstein incluse. Et il n’est pas dit que celle-ci puisse s’en relever aisément. Pourtant cette droite n’est pas nouvelle. Et lorsqu’il se penche dessus, en 1994,  Stacy McGough n’a pas du tout l’intention de remettre en question le modèle standard de la cosmologie, ni la sacro-sainte théorie de la relativité générale d’Einstein qui trône en son centre, complété par la fameuse matière noire, pure invention théorique formulé en 1933 qui composerait 83 % de la matière de l’univers mais que personne n’a jamais observé. Au contraire, l’astronome qui travaille à l’observatoire de Cambrige, en grande Bretagne a l’ambition de montrer que cette droite  qui coller aux données pour un certain type de galaxies n colle pas pour les autres. C’est en tout cas ce que prédisent des calculs basés sur le modèle standard. Il faut dire que la droite en question est une relation empirique publié en 1977 par deux astronomes américains Brent Tully et Richard Fisher qu’ils lient la luminosité des galaxies et la vitesse de rotation de leurs étoiles. Cette loi de Tully-Fisher avait été déduite des observations dans les galaxies spirales semblables à la voie lactée précise Stacy McGough. Elle nous dit nous disait qu’en connaissant la lumière d’une galaxie et donc la masse de sa matière visible, nous pouvons en déduire le mouvement de ses étoiles et vice versa. Or cette loi n’est guère compatible avec la vision standard de l’univers car les étoiles s’animent sous l’effet de matières visibles mais aussi celle de la matière noire, laquelle est considérable.  Pourquoi dès lors le ballet des étoiles devrait être régi que par la seule matière visible dans les galaxies spirales précise une fois de plus, Stacy McGough. Car tout est là, cette loi a indiqué que dans ce type de galaxie, matière noire et matière visible étaient toujours distribuée de la même manière. Sauf qu’il n’y a aucune raison pour qu’elle fonctionne dans les galaxies. Au contraire, à l’époque, l’astronome s’intéresse à un type spécifique de galaxies, faiblement brillante, situé dans la grande banlieue de la toile  cosmique. Elles ressemblent à des galaxies spirales mais elles contiennent beaucoup moins d’étoiles par unité de volume précise le chercheur. Et dans ces galaxies à faible brillance de surface, mais simulations basées sur le modèle standard  cosmologique et tenant donc compte de la présence de matière noire prédisait justement de gros écart avec la loi de  Tully-Fisher.

 

En somme, et cela paraissait logique, le modèle prédisait que la matière noire et la matière visible étaient organisées différemment dans ces galaxies que dans les spirales. Le chercheur a toute confiance en son modèle, même si cette idée purement  spéculative de matière noire ne la jamais vraiment convaincu.

« J’ai toujours trouvé que postuler la présence d’une mystérieuse masse invisible était un peu, artificiel. Mais à l’époque, je n’avais aucun doute. Les indices, de la présence de matière noire étaient nombreux et l’on n’avait aucun autre moyen de décrire ce que l’on observait.»

Seulement, l’astronome a beau y regarder à 10 fois, ces observations ne correspondent pas du tout à ce qu’il attendait. Les étoiles de ces galaxies semblent vérifier parfaitement la loi de Tully-Fisher, celle-là même qu’il avait en tête d’abolir. Sa surprise est totale, il pense tout d’abord à une erreur dans ces simulations et entreprend de modifier des dizaines de paramètres pour en faire émerger la loi, mais rien n’y fait.

« Je ne parvenais jamais à retrouver cette relation dans mes simulations. C’était comme si il n’y avait pas de matière noire, que seule l’attraction de la matière visible agissait sur les étoiles et les mettait en mouvement…mais selon des lois différente de celle de Newton.»

 

Et justement après des mois d’essais  infructueux le chercheur tombe sur les travaux d’un astrophysicien israélien, Mordehai Milgrom, auteur rédigé plus de 10 ans  auparavant qui postule que la matière noire n’existe pas et que le défaut de masse dans l’univers est dû à une modification de la gravitation. Dans cette théorie newtonienne de gravité modifiée baptisé « MOND ». Au lieu de laisser la force d’attraction entre les objets décroître suivant le carré  de leurs distances comme le prévoit Newton et Einstein, Milgrom imagine qu’en dessous d’une accélération de « dix exposants moins 10 mètre par seconde carré»  la gravitation diminue beaucoup moins rapidement. En clair selon « MOND », la gravitation sur les bords  des galaxies est plus forte que dans la théorie d’Einstein. Et cela suffit  à ce que la loi de Tully-Fisher se vérifie naturellement résume  Stacy McGough.

«Sans savoir qui j’étais, ni sur quoi je travaillais, Milgrom avait donc décrit en quelques lignes tout ce que j’observais !»

Presque qu’à son corps défendant, il est alors obligé de considéré MOND comme une explication possible de ces observations.

«J’ai été très surpris de voir que cette théorie prévoyait un phénomène que le modèle cosmologique, au demeurant si complet, échouait à expliquer. Mais j’ai bien été obligé de m’y faire!»

McGough décide donc de mettre MOND à l’épreuve. Si Milgrom a raison, la loi de Tully-Fisher doit être universelle. Pour le savoir, il faut donc mesurer, la luminosité, la vitesse des étoiles dans un grand nombre de galaxies. C’est à cette vaste tache qu’il va s’atteler durant 15 années, constatant à chaque fois que la loi est bien vérifiée.  Sauf que jusque-là, les tenants du modèle cosmologique standard ne s’alarmaient pas. Certes, ces derniers ne parvenaient pas à retrouver la loi de Tully-Fisher à partir de leurs simulations de la naissance des galaxies mais ils s’en approchaient. Ils expliquaient que la formation des galaxies était une véritable gageure à simuler. L’incapacité de leurs modèles à coller aux observations n’était pas une preuve qu’ils faisaient  fausse route.

Qu’en pensent les autres astrophysiciens ?

L’institut d’astrophysique de Paris, Gary Mamom, énumère;

«Comment se forme une galaxie? Comment se forme une étoile? Comment les gaz se condensent? Comment le trou noir géant de la galaxie éjecte de la matière et chauffe les gaz qui l’entourent?»

C’est une physique très complexe et nous sommes loin d’avoir tout découvert. Personne ne pensait donc que la loi de Tully-Fisher vérifié par quelques galaxies pouvait faire chavirer Einstein. D’autant moins que les observations de McGough étaient contestées à cause de leur manque de précision.

Benoit Famaey, de l’observatoire de Strasbourg, explique;

«Il y avait de grandes incertitudes sur la masse des galaxies car elles étaient déduite de la masse des étoiles qui elle-même étaient difficile à évaluer avec précision.»

Sur les figures de McGough, les courbes, les barres d’erreurs étaient tellement grandes que cela ne prouvait pas grand-chose jusque-là. Oui, jusque-là, car en ciblant des galaxies riches en gaz et très peu denses en étoiles, les mesures publiées en mars 2011, par l’astronome américain ont d’un seul coup levé les doutes concernant leur fiabilité. Dans ces galaxies, la masse des étoiles est négligeable devant le gaz. Or, la masse de ce dernier est très facile à évaluer précisément. Le flux de particules de lumière que nous captons avec le télescope nous donne directement la quantité de matière. Il n’y a donc plus aucune ambiguïté.

Stacy McGough a observé 47 de ces galaxies de gaz et le résultat est tombé. La loi Tully-Fisher se vérifie à chaque fois. La droite empirique  n’en finit pas de se prolonger. Ces mesures précises, concernent de petites galaxies qui n’avaient jamais été étudiés.

Françoise Combe, astronome à l’observatoire de Paris, déclare;

«Désormais, nous pouvons le dire, cette loi est vérifié pour tous les types de galaxies. Qu’il s’agisse de spirale ou de bras tentaculaire, de nébuleuses elliptiques ou de nuages  informes, qu’elles aient subit  beaucoup de supernova ou peu toutes  répondent à la même loi.»

Françoise Combe constate;

«C’est un rude coup de poing apporté au modèle de cosmologie standard.»

Certain spécialistes de la matière noire ne désarment pas. Les modèles de formation des galaxies  sont  proche des observations.

L’institut d’astrophysique de Paris, Gary Mamom, avance que;

«En prenant en compte plus de phénomènes physiques dans nos simulations, comme le rayonnement par exemple nous pourrions y arriver.»

Mais, nombre d’astronomes admettent qu’ils ont un problème. Il y a une contradiction, d’un côté, le modèle cosmologique  nous dit que la formation des galaxies est extrêmement complexe, presque chaotique et de l’autre, nous voyons que toutes les galaxies si différentes soient elles répondent à une même loi.  C’est ce que nous nommons une anomalie. Pourquoi, les galaxies alors qu’elles ont toutes une histoire différente s’arrangent-elle pour reproduire cette loi.

Luc Blanchet de l’institut d’astrophysique de paris s’exclame;

«C’est incompréhensible, à priori.»

Benoit Famaey, déclare;

«Je doute qu’ajouter de la complexité dans des simulations soit la bonne méthode pour aboutir à une loi universelle.»

Et si les spécialistes de la matière noire sont bien éventuellement retissant à l’idée de remettre en question un modèle qui décrit tous les univers, ils doivent néanmoins l’admettre, la loi de Tully-Fisher fonctionne trop bien, pour être le fait du hasard. Lucide et honnête, Simon White, astronome a l’institut d’astrophysique Max Planck en Allemagne et  l’un des grands spécialistes de la matière noire, le reconnait lui-même;

«Ce travail met en envergue, un comportement très singulier  et systématique des galaxies qui mérite  d’être étudié. Il est clair qu’il  y a quelque chose ici à comprendre.»

Faut-il alors revoir les lois d’Einstein et abandonner la matière noire, comme le soutient Mordehai Milgrom où un nouveau raffinement des lois du modèle standard suffirait-il pour expliquer l’étrange mouvement des étoiles dans les galaxies. Le débat ne cesse d’enfler et des pistes de réfection se dessinent mais le doute est là. D’autant plus que les détecteurs ont beau traquer depuis plus de vingt ans les mystérieuses particules de matières noires, ils n’ont pas capté le moindre signal et que les premières expériences menées depuis quelques mois dans le plus grand des accélérateurs de particules le LHC au CERN n’a rien détecté non plus. La physique est belle est bien à un tournant de son histoire. Sauvé de justesse en 1933, par l’invention de la matière noire, les lois d’Einstein sont cette fois sur le point de vaciller avec elle toute la cosmologie moderne.

FTU