Tous ceux qui s'intéressent à l'astrophysique et à la cosmologie savent que, depuis quelques décennies, les chercheurs ont été conduits à postuler l'existence dans l'Univers des galaxies de distributions de particules encore inconnues dans les laboratoires sur Terre, distributions dont les masses et la gravité dominent celles des particules connues de l'Humanité.

On sait qu'il doit s'agir de particules exotiques qui ne peuvent pas produire ou absorber de la lumière, ou alors très peu, d'où le nom de matière noire pour cette composante de l'Univers observable, qui semble nécessaire pour expliquer les mouvements des étoiles et des nuages de matière dans les galaxies et même les mouvements de celles-ci dans les amas de galaxies.

La matière noire semble s'imposer aussi pour décrire certaines des propriétés du fameux rayonnement fossile, la lumière laissée par la fin du Big Bang et dans laquelle tout le cosmos observable est encore plongé.

Depuis 13,8 milliards d’années, l’Univers n’a cessé d’évoluer. Contrairement à ce que nous disent nos yeux lorsque l’on contemple le ciel, ce qui le compose est loin d’être statique. Les physiciens disposent des observations à différents âges de l’Univers et réalisent des simulations dans lesquelles ils rejouent sa formation et son évolution. Il semblerait que la matière noire ait joué un grand rôle depuis le début de l’Univers jusqu’à la formation des grandes structures observées aujourd’hui. © CEA Recherche

Mond, l'alternative à la théorie de la matière noire

Toutefois, certains astrophysiciens préfèrent supposer, au lieu de postuler l'existence d'un nouveau type de matière, que ce sont les lois de la mécanique céleste de Newton qu'il faut modifier dans certaines situations, de sorte que l'accélération d'une étoile ou d'une galaxie sous l'effet du champ de gravitation d'une masse ne doit plus décroître selon une loi en 1/R², avec R la distance entre les deux corps s'attirant en raison de la gravitation universelle.

C'est ce que l'on appelle la théorie Mond, proposée dès le début des années 1980 par le physicien israélien Mordehai Milgrom et 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) et dont Futura a déjà parlé dans plusieurs articles auxquels nous renvoyons pour plus de détails.

Pour être plus précis en ce qui concerne Mond, tant que la distance n'est pas trop grande, l'intensité du champ de gravitation produite par une distribution de masse donnée décroît bien, et son accélération aussi selon une loi en 1/R².  Mais, en dessous d'une certaine accélération dont la valeur est considérée comme une constante universelle, ce n'est plus le cas.

C'est cette hypothèse qu'un groupe de chercheurs a testé en utilisant des données collectées il y a plusieurs années déjà par l'Atacama Cosmology Telescope (ACT), un radiotélescope de six mètres qui avait été installé sur le Cerro Toco, dans le désert d'Atacama au nord du Chili, à une altitude de 5 190 mètres.

L'ACT ne fonctionne plus depuis septembre 2022 après 15 ans passés à collecter des photons du Big Bang, Mais les analyses des données qu'il a collectées et qui concernent le rayonnement fossile sont toujours en cours.

Une vue de l'Atacama Cosmology Telescope lorsqu'il existait encore : il était le télescope le plus haut au monde. © Lyman A. Page

L’effet Sunyaev-Zel’dovich, une clé de la cosmologie

Plus généralement, ces données ont aussi constitué un test de la théorie de la relativité générale d'Einstein. Les astrophysiciens ont utilisé pour cela les mouvements de milliers  d'amas de galaxies séparés par des dizaines de millions d'années-lumière et qui s'attirent les uns les autres, mouvements qu'ils ont déterminés en utilisant l'une des variantes de ce qui est appelé l'effet Sunyaev-Zel'dovich, non pas sa version thermique, mais sa version cinématique.

Une première explication grossière de l'effet l'effet Sunyaev-Zel'dovich est la suivante.

Les amas de galaxies sont plongés dans un plasma très chaud avec des électrons très rapides qui s'agitent dans ce plasma. En entrant en collision avec les photons du rayonnement fossile, ils injectent de l'énergie à certains de ces photons de sorte que le spectre de corps noir de ce rayonnement est altéré. Cela permet de détecter la localisation de ces amas sur une carte du rayonnement fossile sur la voûte céleste.

Ceci, c'est l'effet thermique, mais l'effet cinématique tient compte, lui, des mouvements globaux des amas, par exemple deux qui s'attirent, comme deux étoiles tournant l'une autour de l'autre. Les photons du rayonnement fossile entrent donc, en gros, en collision avec des amas dotés d'une vitesse et d'une accélération globales données, de sorte que les interactions entres les électrons du plasma et les photons fossiles du Big Bang produisent un effet global changeant, là aussi, le spectre de rayonnement du corps noir.

Les astrophysiciens peuvent mesurer les deux effets indépendamment et ils pouvaient donc se servir de l'effet Sunyaev-Zel'dovich cinématique pour vérifier dans les cas où les accélérations devaient tomber dans les valeurs utilisées par Mond pour que l'on n'ait plus une décroissance de ces accélérations en 1/R².

C'est à ce jeu qu'ont joué Patricio A. Gallardo, de l'University of Pennsylvania (États-Unis) et ses collègues et dont ils rendent compte aujourd'hui dans un article publié dans Physical Review Letters, mais dont une version existe en accès libre sur arXiv. Pour eux, Mond est réfutée à plus de 3 sigma, c'est donc une découverte.

Toutefois, les chercheurs concèdent qu'il y a une subtilité que l'on appelle en anglais l'External Field Effect (EFE), à laquelle il faut prêter grande attention. Il s'agit de l'effet sur les accélérations internes à un système physique du champ de gravité extérieur à ce système, par exemple l'effet combiné d'un grand nombre d'amas de galaxies ou de la distribution de matière baryonique normale entre les amas. Cet effet pourrait invalider la réfutation de Mond. Or, Gallardo et ses collègues avouent qu'il n'en ont pas tenu compte parce qu'ils pensent qu'en fait il est négligeable. Cela reste à voir...

La théorie de la relativité générale et la théorie de la matière noire en sortent tout de même très renforcées. En fait, les tests effectués grâce à l'Atacama Cosmology Telescope (ACT) constituent la vérification de la théorie de la gravitation relativiste d'Einstein sur l'échelle d'espace la plus grande menée à ce jour.

Le cosmologiste et astrophysicien russe Rashid Sunyaev a reçu la médaille Benjamin Franklin de physique 2012 pour ses contributions monumentales à la compréhension de l'Univers primitif et des propriétés des trous noirs. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © The Franklin Institute

Quelques explications supplémentaires sur l’effet thermique Sunyaev-Zel'dovich (SZ)

C'est un célèbre effet découvert par deux grands cosmologistes russes, d'abord théoriquement à la fin des années 1960, et observé ensuite pour la première fois en 1983. Il s'agit de l'effet Sunyaev-Zel'dovich (SZ).

On ne présente plus Yakov Borisovich Zel'dovich, dont les contributions dans des domaines aussi divers que l'adsorption et la catalyse, les ondes de choc, la physique nucléaire, la physique des particules, l'astrophysique, la cosmologie et la relativité générale, sont innombrables.

D'ailleurs, Stephen Hawking lui avait avoué, lors de son premier voyage en ex-URSS : « Avant de vous avoir rencontré, je pensais que vous étiez un auteur collectif, comme Bourbaki. » Rashid Alievitch Sunyaev, lui, a été l'un des collaborateurs de Zel'dovich et s'est vu attribuer le célèbre prix Crafoord.

Sur ce schéma montrant en ordonnée l'intensité (Intensity) du rayonnement de fond diffus en fonction de sa fréquence (Frequency) et de sa longueur d'onde (Wavelength) en abscisse, on voit clairement l'influence de l'effet Sunyaev-Zel'dovich. La courbe initiale de corps noir du rayonnement fossile est distordue et déplacée vers les hautes fréquences, pour donner l'intensité du rayonnement de fond diffus en traits pleins. © Annu. Rev. Astron. Astrophys

Les deux chercheurs ont compris qu'un gaz d'électrons chauds, comme il en existe dans bien des situations astrophysiques, devait faire subir un effet Compton inverse aux photons du rayonnement fossile. On sait que celui-ci possède un spectre de corps noir, caractérisé par une relation précise entre la fréquence et l'intensité du rayonnement.

En subissant des collisions (effet Compton inverse) avec les électrons énergétiques d'un plasma chaud, les photons sont portés à des énergies plus élevées, ce qui se traduit par un déficit de photons de basses énergies pour le spectre du rayonnement fossile, mais corrélativement par un excès de photons à plus hautes énergies. La courbe du spectre du corps noir du rayonnement de fond diffus apparaît donc comme distordue et décalée vers les hautes fréquences, comme le montre le schéma ci-dessus