La matière noire sera-t-elle oubliée? Malgré des centaines de chercheurs et de colossaux investissements, les hypothétiques particules censées la composer n’ont jamais été découvertes. Si bien que certains astrophysiciens privilégient des théories alternatives comme la théorie MOND (théorie de la dynamique newtonienne modifiée), énoncée dans les années 1980 par le physicien israélien Mordehai Milgrom. Selon ce dernier, les équations de Newton ne sont plus valables lorsque les accélérations deviennent très faibles. Il introduit alors une faible modification de ces équations : l’accélération décroît en 1/r et non 1/r² ‘est une des versions de cette théorie, AQUAL qui semble aujourd’hui validée par des résultats obtenus par Kyu-Hyun Chae, de l’université Sejong de Séoul, en Corée du Sud.
Kyu-Hyun Chae a analysé les données astrométriques du satellite Gaia, de l’Agence spatiale européenne (ESA), chargé de cataloguer le mouvement de centaines de millions d’étoiles de la Voie lactée. Il s’est plus particulièrement intéressé aux interactions à laquelle se livrent les étoiles binaires à longue période entre elles.
Ces couples stellaires, où les deux astres sont suffisamment distants l’un de l’autre, constituent un choix particulièrement judicieux pour tester les théories MOND, explique l’astronome à Sciences et Avenir que nous remercions pour cet article
« La dynamique des orbites binaires n’est pas affectée par la matière noire (si son existence était prouvée) et la gravité peut donc être testée directement dans la limite des faibles accélérations avec ces étoiles. En effet, l’espace entre les deux étoiles est si petit que la quantité de matière noire qui pourrait s’y trouver est tout à fait négligeable. La version 3 du catalogue Gaia fournit des mesures très précises des vitesses et des distances projetées dans le ciel pour un grand nombre de binaires. Il s’agit d’un ensemble de données sans précédent. C’est pourquoi, avec d’autres chercheurs, nous les utilisons pour tester la gravité. »
Pour son travail, Kyu-Hyun Chae a recensé plus de 20.000 couples d’étoiles situées jusqu’à une distance de 650 années-lumière de la Terre.
D’après son étude, publiée dans la revue The Astrophysical Journal, dont on trouvera ci-dessous les références et l’abstract, lorsque deux étoiles tournent l’une autour de l’autre avec des accélérations inférieures à environ un nanomètre par seconde carré, elles commencent à s’écarter de la prédiction de la loi universelle de la gravitation de Newton et de la relativité générale. L’accélération observée est en effet d’environ 30 à 40 % supérieure aux prédictions.
A gauche : un système d’étoiles doubles. Crédit : Wikipedia. A droite : Anomalies gravitationnelles observées dans 20.000 binaires. Crédit : Kyu-Hyun Chae.
L’amplification de l’accélération mesurée correspond bien aux prédictions de la théorie MOND. Plus exactement, elle est en accord avec la théorie AQUAL qui « a été proposée juste après MOND et qui est une théorie lagrangienne spécifique de la gravité modifiée« selon Kyu-Hyun Chae.
Mieux, pour rendre compte correctement du facteur d’amplification de l’accélération, il faut également compter sur l‘effet de champ externe (EFE) qui stipule que les mouvements d’un objet dans le cosmos ne doivent pas seulement dépendre de la masse de cet objet mais aussi de l’attraction gravitationnelle de toutes les autres masses de l’Univers. Il s’agit d’une autre prédiction de MOND qui entre en totale contradiction avec le principe d’équivalence d’Einstein, lequel affirme que tous les corps soumis à un même champ gravitationnel tombent à la même vitesse dans le vide. Et donc que le mouvement des étoiles dans une galaxie doit être indépendant d’un champ gravitationnel uniforme externe.
Référence
Breakdown of the Newton–Einstein Standard Gravity at Low Acceleration in Internal Dynamics of Wide Binary Stars
The Astrophysical Journal, Volume 952, Number 2
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ace101
Abstract
A gravitational anomaly is found at weak gravitational acceleration gN ≲ 10−9 m s−2 from analyses of the dynamics of wide binary stars selected from the Gaia DR3 database that have accurate distances, proper motions, and reliably inferred stellar masses. Implicit high-order multiplicities are required and the multiplicity fraction is calibrated so that binary internal motions agree statistically with Newtonian dynamics at a high enough acceleration of ≈10−8 m s−2. The observed sky-projected motions and separation are deprojected to the 3D relative velocity v and separation r through a Monte Carlo method, and a statistical relation between the Newtonian acceleration gN ≡ GM/r2 (where M is the total mass of the binary system) and a kinematic acceleration g ≡ v2/r is compared with the corresponding relation predicted by Newtonian dynamics. The empirical acceleration relation at ≲10−9 m s−2 systematically deviates from the Newtonian expectation. A gravitational anomaly parameter δobs−newt between the observed acceleration at gN and the Newtonian prediction is measured to be: δobs−newt = 0.034 ± 0.007 and 0.109 ± 0.013 at gN ≈ 10−8.91 and 10−10.15 m s−2, from the main sample of 26,615 wide binaries within 200 pc. These two deviations in the same direction represent a 10σ significance. The deviation represents a direct evidence for the breakdown of standard gravity at weak acceleration. At gN = 10−10.15 m s−2, the observed to Newton-predicted acceleration ratio is . This systematic deviation agrees with the boost factor that the AQUAL theory predicts for kinematic accelerations in circular orbits under the Galactic external field.
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