La théorie alternative de la gravitation fournit une prédiction presque vérifiable

Image d'une combinaison de couleurs complexe et structurée.
agrandir / Clusters Galaxy créés par le simulateur d'univers IllustrisTNG.

De notre point de vue actuel, l'univers semble être dominé par deux choses que nous trouvons frustrantes et difficiles à comprendre. L'une d'elles est la matière noire, qui décrit le fait que tout ce qui se passe dans les galaxies se comporte comme s'il avait plus de masse que nous ne pouvons le prouver. Bien que cela ait conduit à des recherches approfondies de particules pouvant être responsables de la discordance visuelle, cela a également entraîné le développement de théories gravitationnelles alternatives pouvant remplacer les théories de la relativité tout en tenant compte des discordances de masse apparentes.

Jusqu'à présent, ces propositions ne pourraient pas remplacer la théorie de la relativité générale. Et ils ne disent rien de l'autre grand secret, l'énergie noire qui semble accélérer l'expansion de l'univers. Au lieu de cela, les chercheurs ont développé une classe de théories complètement distincte qui pourrait modifier la gravité de manière à éliminer le besoin d'énergie noire. Les chercheurs ont maintenant utilisé cette version alternative de la physique pour simuler la formation d'étoiles et de galaxies. Ils ont découvert que nous étions sur le point de tester certaines d'entre elles.

alternatives gravitationnelles

La théorie générale de la relativité explique un large éventail de phénomènes et décrit parfaitement l'univers dans son ensemble, à condition que la matière noire et l'énergie noire existent en tant qu'entités séparées. Toutes les alternatives à la gravité doivent prendre en compte tout ce qui est expliqué par la théorie générale de la relativité et prendre en compte les effets supplémentaires d'au moins une de ces deux forces obscures. Une classe de théories collectivement appelée MOND (Modified Newtonian Dynamics) vise à éliminer la matière noire, mais il leur est difficile de considérer des choses qui contournent facilement la relativité.

Et en ce qui concerne l'énergie noire, MOON est silencieux, en partie parce qu'il a été développé à l'origine avant que l'on sache que l'énergie noire posait problème. Au lieu de cela, une classe de théories complètement séparée a été développée pour gérer la gravité tout en éliminant le besoin d'énergie noire séparée. Celles-ci sont connues sous le nom de modèles f (R) et sont communément décrites comme un mécanisme "caméléon". C'est parce qu'ils accumulent un pouvoir supplémentaire qui modifie leur comportement en fonction de l'environnement.

Là où il y a beaucoup de matière, la force du caméléon est minimisée afin de s'intégrer à l'environnement. Au fur et à mesure que la matière devient rare dans les grandes dimensions, elle commence à se faire sentir. Pour cette raison, nous ne pouvons pas trouver de déviations majeures de la théorie de la relativité sur Terre ou au voisinage d'objets tels que les étoiles à neutrons, mais nous les reconnaissons lorsque nous examinons la structure à grande échelle de l'univers. Le résultat net est une accélération de l'expansion de l'univers, qui n'est visible que sur une grande échelle – tout comme l'énergie sombre.

Pour que les suppléments aient du succès en physique, ils doivent avoir un sens avec ce que nous savons de la relativité et traiter des détails qu’ils ne peuvent pas. Cela rend les tests plus difficiles, car les nouveaux modèles sont déjà conçus pour correspondre aux données existantes (sans quoi, ces données seraient plutôt inutiles). Le truc est donc de trouver des données que nous n'avons pas encore, mais qui pourraient montrer une différence entre la théorie de la relativité et ces nouveaux modèles.

Pour rechercher de telles différences, un groupe de cosmologues de l’Université de Durham a décidé d’inclure des suggestions de caméléons dans des modèles informatiques massifs simulant la formation de structures allant d’étoiles à des amas de galaxies.

Un univers modèle

Les chercheurs ont travaillé avec le modèle IllustrisTNG, un mini-univers capable de simuler la formation et l'évolution de galaxies. Dans des conditions standard, le modèle contrôle partiellement cette évolution en étant soumis à la relativité générale. Pour ce test, l’équipe de recherche a également réalisé une version dans laquelle la théorie de la relativité était remplacée par une version caméléon f (R) de la gravité. (Ils ont également utilisé une version exagérée de f (R) pour mettre en évidence les différences.)

Tous les modèles ont supposé que de grandes quantités de matière noire étaient présentes. Rappelez-vous, c'est MOON qui espère s'en débarrasser. Les simulations ont été effectuées dans deux conditions: avec et sans commentaires du numéro régulier. Contrairement à la matière noire, la matière ordinaire s'enflamme dans les étoiles et forme des trous noirs. Ceux-ci fournissent des informations qui modifient le comportement de la matière à proximité.

Les simulations ont montré que le gaz dans les régions intérieures des galaxies ne ressentait pas l’effet de la gravité modifiée et se comportait de la même manière que la théorie générale de la relativité. Cela inclut le gaz qui pénètre dans la zone près des trous noirs supermassifs entraînant des galaxies actives. En revanche, les régions extérieures des galaxies devraient présenter certaines différences dues aux changements causés par la force caméléon. Ici, on s'attend à ce que d'autres étoiles se forment sous le modèle du caméléon en raison de changements dans la dynamique de la gravité.

Trop petit

Malheureusement, la plupart de ces effets sont trop faibles pour produire des différences détectables entre f (R) et la relativité générale. Il y a cependant une exception. Les changements de gaz dans la région extérieure des galaxies l’entraînent à former des densités de gaz plus élevées, ce qui augmente à son tour l’efficacité du refroidissement de ce gaz. Il s'avère qu'un instrument de radiotélescope à rangée de kilomètres carrés est sensible aux propriétés altérées du gaz. En conséquence, il peut détecter des écarts par rapport à la théorie de la relativité générale.

L'autre résultat important est l'observation que dans les modèles de caméléon, qui s'apparentent à la relativité générale, l'inclusion de la rétroaction provenant de la matière ordinaire est simplement un effet additif. Il n'y a pas d'autres interactions avec la gravité modifiée. Cela pourrait grandement simplifier les calculs futurs.

Bien que nous ne soyons pas encore prêts à exclure des alternatives à la théorie de la relativité générale, le nouveau travail révèle le genre de choses que nous devons faire pour tester les substitutions possibles. Étant donné que la théorie de la relativité a connu un tel succès et semble expliquer en grande partie ce que nous voyons, il n’ya guère de place pour des alternatives permettant de définir une identité claire. Alors que nous nous efforçons de déterminer où se trouve cet espace rare, de telles recherches ouvrent la possibilité de mettre éventuellement certaines de nos idées à l'épreuve.

Et s'ils échouent au test, il reste encore de l'énergie noire.

Nature Astronomy, 2019. DOI: 10.1038 / s41550-019-0823-y (À propos des DOI).

La théorie alternative de la gravitation fournit une prédiction presque vérifiable
4.9 (98%) 32 votes
 

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *