Le télescope spatial James-Webb découvre des indices en faveur d’une théorie alternative de la gravité

 (thedebrief.org)
4 points par GN⁺ 2024-11-17 | 1 commentaires | Partager sur WhatsApp
  • Les observations de galaxies anciennes par le JWST renforcent l’idée que les galaxies se sont formées plus vite que prévu dans l’Univers primordial, relançant la comparaison entre l’explication standard Lambda-CDM et les prédictions de MOND
  • Le modèle standard de matière noire suppose que les premières galaxies ont commencé petites et peu lumineuses avant de croître lentement, mais les galaxies observées apparaissent lumineuses, grandes et déjà bien formées
  • Stacy McGaugh et ses collègues de la Case Western Reserve University avaient prédit dès 1998 que les galaxies pouvaient se former rapidement sans matière noire, et estiment que les nouvelles données du JWST se rapprochent davantage de cette prédiction
  • MOND est une théorie qui modifie la deuxième loi de Newton pour expliquer les divergences des courbes de rotation galactiques, mais il n’existe toujours pas de cadre complet compatible avec la relativité générale d’Einstein
  • Lambda-CDM est un modèle largement soutenu qui explique le taux d’expansion de l’Univers et sa structure presque plate, et certaines mesures astronomiques modernes continuent de soutenir l’hypothèse de la matière noire

Le scénario de formation des premières galaxies ébranlé par les observations du JWST

  • Le James Webb Space Telescope observe les régions les plus lointaines de l’Univers afin d’étudier des galaxies anciennes du passé cosmique
  • Des chercheurs de la Case Western Reserve University estiment que les relevés de galaxies anciennes collectés par le JWST entrent en conflit avec les prédictions de la théorie largement admise de la matière noire froide, Lambda-CDM
  • Les observations sont interprétées comme correspondant davantage à l’explication fournie par la théorie alternative de la gravité Modified Newtonian Dynamics (MOND)
  • Si ce résultat se confirme, les astronomes et cosmologistes devront réexaminer MOND, longtemps restée controversée

La croissance lente attendue par Lambda-CDM

  • Le modèle Lambda-CDM considère que la matière noire est indispensable pour expliquer la structure de l’Univers
  • Dans ce modèle, l’influence gravitationnelle de la matière noire guide la formation des galaxies et des grandes structures
  • Les galaxies anciennes de l’Univers primordial devraient être petites et peu lumineuses, car elles s’assemblent progressivement sous l’effet de la matière noire au fil du temps cosmique
  • Selon McGaugh, si Lambda-CDM est correct, la gravité additionnelle de la matière noire devrait attirer lentement vers le centre les petits fragments de matière autour des premières galaxies
  • Pourtant, les galaxies observées par le JWST dans un passé plus lointain apparaissent lumineuses, grandes et déjà bien formées

La formation rapide des structures selon MOND

  • MOND est une théorie proposée pour la première fois en 1983 par le physicien israélien Mordehai Milgrom
  • Cette théorie modifie la deuxième loi de Newton afin d’expliquer les divergences des courbes de rotation galactiques sans introduire de matière noire
  • La modification apportée par MOND devient importante dans les régions où l’accélération est très faible, comme dans les zones périphériques de l’Univers observées par le JWST
  • En 1998, McGaugh a cosigné avec Federico Lelli, Jay Franck, James Schombert et d’autres un article affirmant que la formation des galaxies se produisait plus rapidement et ne dépendait pas de la matière noire
  • Selon cette hypothèse, la matière galactique s’agrège rapidement, s’étend avec l’Univers, puis s’effondre sous l’effet de la gravité pour former tôt de grandes structures lumineuses

Comparaison entre les données du JWST et les prédictions existantes

  • McGaugh et ses collègues estiment que les données du JWST sont plus proches des prédictions des partisans de MOND que de celles du modèle Lambda-CDM
  • Par exemple, McGaugh considère que les prédictions fondées sur MOND de R H Sanders correspondent mieux aux observations que celles de Mo, Mao et White, partisans de Lambda-CDM
  • Le fait qu’un modèle ne corresponde pas à une observation ne signifie pas automatiquement qu’il faut l’abandonner, mais un cadre théorique peut être fragilisé s’il n’explique pas suffisamment les données observées
  • Certaines mesures astronomiques modernes continuent toutefois de soutenir l’hypothèse de la matière noire

Pourquoi Lambda-CDM conserve encore un large soutien

  • Même si MOND semble bien expliquer certaines observations du JWST, Lambda-CDM conserve un large soutien
  • Lambda-CDM prédit avec précision le taux d’expansion de l’Univers depuis les années 1920
  • Les preuves de la constante cosmologique qui maintient l’expansion de l’Univers sont également intégrées dans le cadre de Lambda-CDM
  • L’Univers est presque plat comme l’exige Lambda-CDM, même si de légers écarts restent un sujet nécessitant des recherches supplémentaires
  • La communauté astrophysique au sens large considère que Lambda-CDM a résisté à de nombreux tests et fournit un cadre cohérent pour comprendre l’Univers

Défis restants et article scientifique

  • McGaugh reconnaît que la recherche d’une théorie compatible à la fois avec la relativité générale et MOND n’a pas encore abouti
  • Les résultats montrés par le JWST ne correspondent pas à l’idée selon laquelle les grandes galaxies proches auraient commencé sous forme de fragments extrêmement petits
  • McGaugh affirme que le cœur de la méthode scientifique consiste à formuler des prédictions et à vérifier lesquelles sont correctes
  • L’article associé, Accelerated Structure Formation: The Early Emergence of Massive Galaxies and Clusters of Galaxies, a été publié le 12 novembre 2024 dans The Astrophysical Journal

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1 commentaires

 
GN⁺ 2024-11-17
Avis sur Hacker News

  • Je trouve que cet article est, au mieux, trompeur. Il dit en substance que « les relevés de galaxies anciennes collectés par le JWST semblent contredire les prédictions du modèle ΛCDM, le plus largement accepté », mais ΛCDM ne prédit pas à quoi les galaxies devraient ressembler ; il prédit la quantité de masse présente dans les structures effondrées et la croissance hiérarchique des halos de matière noire.
    Avec le JWST, en revanche, on observe la lumière et il faut en déduire les propriétés physiques réelles du système. Très tôt, des travaux ont déjà montré qu’en supposant une limite supérieure théorique — c’est-à-dire que tout le gaz dans une structure effondrée se transforme en étoiles — on obtient une fonction de luminosité plusieurs ordres de grandeur au-dessus des observations du JWST : https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2023MNRAS.521..497M/abstra...
    Donc, même dans le cadre de ΛCDM, il y a largement de la place pour des galaxies précoces paraissant brillantes, grandes et massives. À l’heure actuelle, les seules données du JWST sur l’Univers primordial sont trop sensibles au modèle de formation des galaxies retenu pour soutenir ou réfuter ΛCDM de façon convaincante, à mon avis.

    • Une explication du type « trop sensible au modèle de formation des galaxies retenu pour soutenir ou réfuter ΛCDM de façon convaincante » n’était pas du tout la manière dont on présentait ΛCDM avant Webb. À l’époque, c’était une théorie bien considérée, et l’on s’attendait à ce que de nouvelles données resserrent les contraintes aux frontières, comme la détection du Higgs, afin de passer à l’étape suivante.
      Mais en pratique, c’est presque le bazar : on n’a pas vu ce qu’on espérait voir, et on a maintenant l’impression de battre en retraite vers « bon, ce n’est pas comme si ΛCDM avait été prouvé exactement faux, non ? ». Cela ne veut pas dire que ΛCDM est faux, ni que MOND est correct, mais c’est clairement un moment de changement de paradigme au sens de Kuhn, et il faut selon moi examiner sérieusement un éventail d’idées plus large.
    • Je trouve étrange de reprocher au JWST de ne voir que la lumière. Toute la théorie de la matière noire a été construite à partir d’objets qui émettent de la lumière ; il n’y a pas une telle opposition entre la méthode du JWST et d’autres méthodes.
      Déprécier le JWST parce qu’il ne peut voir que la lumière, c’est un peu comme déprécier Galilée parce qu’il n’a pu fabriquer qu’un télescope. Ce serait bien de pouvoir se téléporter vers l’objet étudié pour obtenir plus d’informations, mais dans la réalité il faut respecter les règles de la réalité. Et l’argument selon lequel tout est « sensible aux modèles de formation des galaxies » revient à mettre la charrue avant les bœufs, donc je ne le trouve pas valide.

  • Ce qui me gêne toujours avec MOND, c’est la relativité générale. On sait que la gravité n’est pas newtonienne et que la loi en carré inverse ne s’applique pas telle quelle. Un modèle gravitationnel fondé sur la loi en carré inverse est tout simplement un modèle faux.
    L’article cité dans un autre commentaire, https://tritonstation.com/new-blog-page/, est excellent et défend l’idée que la relativité générale n’a jamais été testée dans le régime des faibles accélérations et pourrait être fausse. Mais on sait aussi que MOND est faux à forte accélération. Si une théorie ne couvre pas les deux, j’ai du mal à la voir comme une amélioration de la RG. La formulation peut sembler un peu agressive, mais je pense que les recherches sur la gravité modifiée ont beaucoup de valeur ; simplement, ce n’est pas une solution miracle.

    • MOND n’a pas été présenté comme une amélioration de la RG. Comme son nom l’indique, c’était au départ une théorie de dynamique newtonienne.
      Il existe des versions relativistes de MOND, comme TeVeS https://en.m.wikipedia.org/wiki/Tensor%E2%80%93vector%E2%80%..., mais elles ont encore plusieurs problèmes.
    • La relativité générale elle-même ne s’accorde pas avec la mécanique quantique dans les situations extrêmes ; donc, si la mécanique quantique n’est pas fausse, la RG comporte elle aussi, en pratique, quelque chose de faux. Il n’est donc peut-être pas approprié de prendre la RG comme un évangile.
      En particulier, MOND semble ne modifier la RG que dans des conditions extrêmes, et dire qu’elles « ne s’accordent pas » peut en réalité vouloir dire que les mathématiques sont difficiles et que les physiciens n’ont pas encore suffisamment travaillé dessus. Accepter une RG modifiée façon MOND ne changerait probablement pas la manière dont le GPS fonctionne ; donc l’argument « la RG a résisté à l’épreuve du temps et de l’ingénierie » ne suffit pas, à mon avis, à réfuter complètement MOND.
    • L’affirmation selon laquelle la gravité ne serait pas newtonienne et que la loi en carré inverse ne s’appliquerait pas demande des preuves. En dehors des environnements extrêmes de masse et d’énergie, le consensus est proche de dire que la gravité fonctionne comme Newton l’a décrit, avec une précision sur un très grand nombre de chiffres.
      Cela ne veut pas dire que la relativité générale est fausse, mais que, à l’échelle galactique, la gravité se comporte de manière newtonienne et que les effets de la RG sont extrêmement faibles.
    • Je ne suis pas physicien, mais je vois la même erreur un peu partout. Le théorème de la coquille ne s’applique pas aux disques ni aux galaxies.
      Même dans des textes avancés, on retrouve cette simplification qui traite la matière située à l’intérieur d’un rayon comme une masse ponctuelle au centre, et ignore la gravité de la masse située au-delà du rayon en supposant qu’elle s’annule. Cette simplification marche pour une coquille sphérique de densité uniforme ou un solide sphérique, mais pas pour un disque ou un anneau, c’est-à-dire une galaxie.
    • MOND possède bien des généralisations relativistes qui se réduisent à la dynamique MOND à basse énergie. Cela dit, même si ce n’est pas mon domaine, je comprends que ces théories ressemblent plutôt à des rustines et qu’elles soient peu calculables, ce qui fait qu’elles ne sont pas prises très au sérieux.
      Dans MOND, le « vrai travail » semble surtout se faire dans sa forme classique, et cela ressemble à une entorse assez importante aux règles. On peut bâtir une grande théorie sur une hypothèse, mais il faut au moins essayer de prouver cette hypothèse.

  • Le texte parle de « preuves surprenantes », puis dit plus loin, au conditionnel, que « les observations semblent soutenir les fondements de MOND, ce qui pourrait amener les astronomes et cosmologistes à réexaminer cette théorie gravitationnelle alternative controversée depuis longtemps ». Je ne sais pas ce que sont des preuves conditionnelles, et je passe peut-être à côté de l’ensemble du tableau, mais cette manière d’écrire est, au mieux, imprécise.

    • C’est du journalisme scientifique grand public typique, avec un titre pensé pour le clic. Mieux vaut lire l’article scientifique.
    • Ces preuves doivent être vérifiées mathématiquement et empiriquement, et elles sont du type qui peut laisser penser qu’une théorie actuellement marginale colle mieux aux données que la théorie dominante.
      En physique, il y a tellement d’inconnues que le camp opposé peut facilement répondre : « ta théorie n’explique pas encore XYZ non plus, donc il est probable qu’il suffise d’ajuster un peu la nôtre ». D’après ma compréhension d’amateur, c’est un sujet sur lequel des personnes raisonnables peuvent diverger.
    • Il n’y a pas encore de consensus ni d’indicateur reproductible. Dire « examinons davantage cette piste » est tout à fait légitime.

  • Je ne comprends pas pourquoi on partage des articles avec un titre aussi sensationnaliste. Pas étonnant que la réputation du journalisme scientifique se dégrade. Ce genre d’article undermines fortement les efforts de celles et ceux qui essaient de communiquer correctement la science.

    • Sans cet article et la discussion sur HN, je n’aurais pas connu MOND ; au minimum, c’est une théorie intéressante.
    • À chaque étape, de l’auteur de l’article jusqu’aux circuits de diffusion, les incitations poussent à faire exactement cela, et récompensent par l’argent, les vues, l’influence, la notoriété, les points et l’attention. Pour que cela cesse, il faut supprimer les incitations.

  • Je suis le principal auteur, Stacy McGaugh, via son blog, où il publie ses recherches récentes et ses réflexions sur le débat matière noire vs MOND : https://tritonstation.com/new-blog-page/
    Son argumentation est assez convaincante et relativement claire. Je ne suis pas astrophysicien, mais j’ai deux diplômes en physique, et la théorie de la matière noire m’a toujours semblé insuffisante. En l’absence totale de preuves d’un lien causal, la matière noire ne peut guère être décrite que comme « l’endroit où l’on aimerait placer de la matière si cela permettait de rendre la théorie de la gravité cohérente », ce qui, du point de vue scientifique de base, est complètement à l’envers. À mesure que la sensibilité des instruments d’observation continue de s’améliorer, les prédictions fondées sur les hypothèses modernes de MOND semblent devenir de plus en plus exactes.

    • Quand théorie et observation ne concordent pas, on ne sait pas à l’avance s’il faut corriger la théorie ou si l’observation a manqué quelque chose. Au XIXe siècle, l’orbite d’Uranus ne correspondait pas aux prédictions de la théorie de Newton ; en partant de l’hypothèse que la théorie newtonienne était correcte et que nous avions manqué quelque chose dans les observations, les calculs ont prédit la position de Neptune, qui a effectivement été découverte.
      À l’inverse, l’orbite de Mercure s’écartait elle aussi des prédictions newtoniennes ; dans ce cas, on a émis l’hypothèse d’une planète encore non observée près du Soleil, mais la vraie solution a été une modification de la théorie de la gravité, à savoir la relativité générale. La RG a prédit avec exactitude la précession du périhélie de Mercure de 43 secondes d’arc par siècle par rapport aux prédictions de Newton, et ses prédictions comme la déviation gravitationnelle de la lumière, les trous noirs et les ondes gravitationnelles ont également été vérifiées. Il y a donc bien un désaccord entre théorie et observation, mais on ne peut pas savoir à l’avance si la solution est une modification de la théorie ou une nouvelle forme de matière, et il n’est pas antiscientifique de poser cette dernière hypothèse et de voir jusqu’où elle mène. La difficulté est de construire un cadre théorique qui conserve les prédictions réussies de la RG tout en expliquant aussi les courbes de rotation des galaxies.
    • La matière noire se comporte de façon fondamentalement différente de la matière baryonique. La quantité totale de matière dans l’Univers, c’est-à-dire la somme de la matière noire et de la matière baryonique, peut être contrainte par les abondances observées issues de la nucléosynthèse, et la matière noire affecte aussi différemment les amplitudes relatives des pics du fond diffus cosmologique.
      À première vue, MOND semble n’avoir guère réussi en dehors de la modélisation des courbes de rotation des galaxies. Le scepticisme vis-à-vis de la matière noire par rapport à MOND m’a toujours paru étrange. La matière noire ne demande pas beaucoup de nouvelle physique — en gros l’ajout d’une nouvelle particule au modèle standard — tandis que la plupart des théories MOND brisent l’invariance de Lorentz, ce qui constitue une rupture bien plus radicale avec la physique standard. Les théories MOND plus sophistiquées qui préservent l’invariance de Lorentz, comme TeVeS, ressemblent en réalité à des théories de matière noire emballées dans le langage de MOND.
    • Je ne pense pas que cette approche soit forcément illégitime. C’est exactement ainsi qu’on cherche des planètes : on observe une anomalie inattendue dans le mouvement d’une planète ou d’une étoile, qui s’expliquerait s’il y avait une planète à tel endroit ; puis, en regardant, on découvre effectivement une planète là-bas.
    • En général, je comprends « matière noire » comme un raccourci désignant le désaccord entre théorie et observation. L’explication pourrait être de la matière réellement sombre, ou bien une observation totalement inattendue, ou encore un changement théorique.

  • J’aimerais que les journalistes scientifiques n’utilisent pas MOND comme représentant de toutes les théories dont MOND émerge comme limite à faible courbure. MOND lui-même n’est pas covariant et présente de nombreux problèmes bien connus, ce qui en fait clairement un mauvais point de départ.
    Des théories plus sophistiquées de la famille de la relativité générale reproduisent un comportement de type MOND tout en fonctionnant mieux et en étant plus plausibles. Au minimum, pour éviter les débats inutiles autour de MOND, il faudrait parler de gravité modifiée ou de MOG plutôt que de MOND.

  • Si vous vous demandez ce que signifie exactement MOND, il existe une page Wikipédia : https://en.wikipedia.org/wiki/Modified_Newtonian_dynamics

  • Sean Carroll a écrit sur MOND ici : https://www.preposterousuniverse.com/blog/2011/02/26/dark-ma...
    Cette explication me paraît plus convaincante.

  • J’attends qu’Angela Collier fasse une vidéo sur ce sujet. J’imagine que beaucoup de gens vont lui envoyer cet article. Contrairement à sa communication, MOND est en réalité un domaine de niche en cosmologie.

  • Je me demande s’il existe une version quantifiée de MOND. Je ne sais pas si l’accélération accrue vient du fait que les unités quantifiées de la gravité exercent encore une force à des distances où, normalement, la force devrait être inférieure à un « quantum de gravité », ou si, à très grande distance, la quantification crée en quelque sorte un plafond plutôt qu’un plancher.
    Si la gravité possède une particule ou une quantification fondamentale, comme le photon, et agit fondamentalement même à des distances très grandes ou « infinies », je me demande s’il serait plus plausible qu’il existe une sorte de plancher de quantification ou une bande quantifiée. Ou bien considère-t-on que la quantification de la gravité impose une limite à la portée de l’attraction gravitationnelle, ou encore qu’en gravité quantique la proportion de « gravitons » interagissant entre les objets diminue ? Je pose la question sans vraiment savoir, et je me demande ce que signifie un graviton dans des théories comme MOND ou ΛCDM.