Excellente question!

En bref, il y a deux possibilités logiques pour expliquer les données:

1. Il y a de la matière noire et une constante cosmologique (modèle standard)
2. La gravité doit être modifiée

Fait intéressant, les deux possibilités ont un précédent historique:

• La découverte de Neptune (par Johann Gottfried Galle et Heinrich Louis d'Arrest) un an après sa prédiction par Urbain le Verrier a été une réussite pour l'idée de matière noire.
  (Bien sûr, après sa découverte par les astronomes, il ne faisait plus noir. ..)
• La non-découverte de Vulcain était un échec de l'idée de matière noire - au lieu de cela, la gravité a dû être modifiée de Newton à Einstein.
  (Curieusement , Vulcain a en fait été observé par Lescarbault un an après sa prédiction par Urbain le Verrier, mais cette observation n'a jamais été confirmée par personne d'autre.)

Donc, fondamentalement, vous vous demandez: sommes-nous dans un Neptune ou un scénario Vulcain? Et le scénario Vulcain ne pourrait-il pas être plus crédible?

La réponse probable semble être non. Les modifications de la gravité qui semblent expliquer les courbes de rotation galactique sont généralement soit en conflit avec les tests de précision du système solaire (où la théorie d'Einstein fonctionne extraordinairement bien), soit elles sont compliquées et moins prédictives que la théorie d'Einstein (comme TeVeS) ou ce ne sont pas des théories pour commencer. (comme MOND).

Outre les preuves gravitationnelles de la matière noire, il existe également des preuves indirectes de la physique des particules. Par exemple, si vous croyez en la grande unification, vous devez également accepter la supersymétrie afin que les constantes de couplage fusionnent en un point à l'échelle GUT. Ensuite, vous avez un candidat de matière noire naturelle, la particule supersymétrique la plus légère. Il existe également d'autres prédictions de physique des particules qui conduisent à des candidats à la matière noire, comme les axions. Le fait est donc que les candidats à la matière noire ne manquent pas (il y en a plutôt en abondance) qui pourraient être responsables des courbes de rotation galactique, de la dynamique des amas, de la formation de la structure, etc.

Notez également que le modèle standard de cosmologie est un modèle assez précis (au niveau du pourcentage), et il nécessite environ 23% de matière noire. De nombreuses mesures indépendantes ont examiné ce modèle (anisotropies CMB, données de supernovae, clusters, etc.), nous avons donc une confiance raisonnable dans sa validité.

Dans un certain sens, la meilleure preuve de l'obscurité la matière est peut-être le manque de bonnes alternatives.

Pourtant, tant que la matière noire n'est pas détectée directement par une expérience de physique des particules / astro-particules, il est scientifiquement judicieux d'essayer de chercher des alternatives (je plaide coupable à cet égard). Il semble juste douteux qu'une alternative ad hoc passe tous les tests d'observation.

Bien qu'il soit possible que la gravité doive encore être modifiée, il semble de plus en plus improbable qu'il n'y ait PAS une forme de matière noire. En particulier, l'observation du cluster de balles est un défi de taille pour les différentes théories de gravité modifiées (bien que, sans doute, les champs supplémentaires dans quelque chose comme la gravité bimétrique ou TeVeS pourraient être auto-couplés d'une manière différente que les champs ordinaires et cela pourrait être ce qui induit la séparation, mais c'est artificiel, au mieux). L'idée de base de MOND a été étirée assez désespérément pour expliquer la matière noire dans les amas galactiques également.

De plus, en examinant les scénarios de gel cosmologique où la matière noire se déséquilibre avec la matière ordinaire à une température élevée dans l'univers primitif, on obtient un modèle cohérent avec les données de nucléosynthèse actuelles et avec les données observées. abondance de matière noire. C'est une preuve assez forte qu'il y a quelque chose au-delà de l'hypothèse de la matière noire du modèle standard.

Mais encore une fois, il n'est pas totalement impossible qu'il y ait une sorte de gravité modifiée. Après tout, les effets quantiques vont devoir modifier la gravité à un moment donné. Ce serait une erreur de ne pas la chercher simplement parce qu'une autre hypothèse semble meilleure à l'époque.

Oui. Les théories de gravité modifiées sont crédibles. Daniel Grumiller et Jerry Schirmer ont souligné certains des arguments contre lui, mais il existe également des problèmes profonds et potentiellement insolubles avec une approche par particules de matière noire. De plus, le poids de la preuve, aussi déplacé que les astronomes, les physiciens des particules et les théoriciens, nous a fourni des preuves plus pertinentes et plus d'idées sur la façon de résoudre le problème, même ces dernières années dans ce domaine très actif de recherche en cours. / p>

C'est comme il se doit parce que les phénomènes de matière noire constituent le cas le plus frappant qui existe aujourd'hui où la combinaison de la relativité générale et du modèle standard de physique des particules ne peut tout simplement pas expliquer les preuves empiriques sans une sorte de nouvelle physique.

1. Toute théorie viable de la matière noire doit être en mesure d’expliquer pourquoi la distribution de la matière lumineuse dans une galaxie prédit si étroitement les phénomènes de matière noire observés et avec si peu de dispersion à de multiples égards tels que les courbes de rotation et tailles de renflement. Ces relations persistent même dans les cas qui, dans une théorie non gravitationnelle, ne devraient pas naturellement tenir. Par exemple, les nébuleuses planétaires des galaxies ellipiques en rotation lointaine montrent la même dynamique que les étoiles à la frange des galaxies spirales. De même, ces relations persistent dans les galaxies riches en gaz et les galaxies naines (qui ont comme prévu environ 0,2% de matière ordinaire si le GR est correct dans un univers composé globalement de 17% de matière noire. ) bien qu'ils dépassent le cadre des données utilisées pour formuler les théories.

L'un des efforts récents les plus réussis pour reproduire la relation baryonique de Tully-Fischer avec les modèles CDM est L.V. Sales, et al., « The low-mass end of the baryonic Tully-Fisher relation» (5 février 2016). Cela explique:

[L] a littérature est jonchée de tentatives infructueuses pour reproduire Relation Tully-Fisher dans un univers froid et dominé par la matière noire. Direct les simulations de formation de galaxies, par exemple, ont depuis de nombreuses années produit systématiquement des galaxies si massives et compactes que leur les courbes de rotation étaient en forte baisse et, généralement, ne correspondaient pas observation. Même les modèles semi-analytiques, où les masses et tailles de galaxies peut être ajusté pour correspondre à l'observation, ont eu des difficultés à se reproduire la relation Tully-Fisher, prédisant généralement les vitesses à des masse significativement plus élevée que celle observée à moins que quelque peu des ajustements arbitraires sont apportés à la réponse du halo sombre.

Le document parvient à simuler la relation Tully-Fisher uniquement avec un modèle qui a seize paramètres soigneusement "calibré pour correspondre à la fonction de masse stellaire de la galaxie observée et aux tailles des galaxies à z = 0" et "choisi pour ressembler aux environs du groupe local de galaxies", cependant, et a encore du mal à reproduire les ajustements à un paramètre du modèle de jouet MOND d'il y a trois décennies. N'importe quel ensemble de données peut être décrit par presque n'importe quel modèle à condition qu'il ait suffisamment de paramètres ajustables.

Une grande partie de l'amélioration par rapport aux modèles antérieurs est venue des efforts visant à incorporer la rétroaction entre la matière baryonique et la matière noire dans les modèles, mais cela a généralement été fait d'une manière plus ad hoc que fermement ancrée dans une théorie rigoureuse ou empirique. observations des processus de rétroaction en action.

Un des problèmes les plus insolubles avec les simulations basées sur un modèle de particules de matière noire qui a été souligné, par exemple, dans Alyson M. Brooks, Charlotte R. Christensen, " Bulge Formation via Mergers in Cosmological Simulations "(12 novembre 2015) est que leur modèle de galaxie et d'assemblage de masse sous-estime considérablement la proportion de galaxies spirales dans le monde réel qui sont sans bulbes, ce qui est une difficulté inhérente au processus par lequel la matière noire et les proportions de matière baryonique sont corrélées dans les modèles de particules de matière noire qui ne posent pas de problème pour les modèles de gravité modifiés. Ils notent que:

[N] ous démontrons également qu'il est très difficile pour les étoiles actuelles modèles de rétroaction pour reproduire les petits renflements observés dans des galaxies de disque comme la Voie lactée. Nous soutenons que les modèles de rétroaction ont besoin à améliorer, ou une source supplémentaire de rétroaction telle que AGN est nécessaire pour générer les sorties nécessaires.

La relativité générale ne fournit pas naturellement un tel mécanisme de rétroaction.

2. Le fait qu'il soit possible d'expliquer à peu près toutes les courbes de rotation galactique avec un seul paramètre implique que toute théorie de la matière noire ne peut pas non plus être trop complexe, car sinon il faudrait plus de paramètres pour ajuster les données. Les relations dont les théories de gravité modifiées montrent l'existence sont réelles, que le mécanisme proposé à l'origine de ces relations soit réel ou non. Une théorie de la matière noire ne devrait pas avoir plus de degrés de liberté qu'une théorie du modèle de jouet qui peut expliquer les mêmes données. Le nombre de degrés de liberté nécessaires pour expliquer un ensemble de données est insensible à la nature sous-jacente particulière de la théorie correcte pour expliquer ces données.

De plus, même si je n'ai pas de références à leur sujet pour le moment, les premières simulations de matière noire ont rapidement révélé que les modèles avec un type principal de matière noire correspondent beaucoup mieux aux données que ceux avec plusieurs types de matière noire qui contribuent de manière significative à ces phénomènes.

Cette exigence de simplicité réduit considérablement la classe des candidats de matière noire à prendre en compte, et par conséquent, le nombre de théories viables de particules de matière noire avec lesquelles une théorie de la gravité modifiée doit concurrencer dans un concours de crédibilité.

3. Les observations d'astronomie ont des contraintes assez strictes sur l'espace des paramètres de la matière noire. Alyson Brooks, « Re-Examining Astrophysical Constraints on the Dark Matter Model» (28 juillet 2014). Celles-ci excluent à peu près tous les modèles de matière noire froide à l'exception de la "matière noire chaude" (WDM) (à une masse à l'échelle keV qui se situe au bas de la plage autorisée par le modèle lamdaCDM) et de la "matière noire auto-interagissante" (SIDM) (qui échappe aux problèmes qui affectent autrement les modèles de matière noire froide avec une cinquième force qui n'agit qu'entre les particules de matière noire nécessitant au moins un au-delà du fermion du modèle standard et un au-delà de la force du modèle standard porté par un nouveau boson massif d'une masse de l'ordre de 1 à 100 MeV).

4. Les expériences de détection directe (en particulier LUX) excluent tout candidat de matière noire qui interagit via l'une des trois forces du modèle standard (y compris la force faible) à des masses inférieures à 1 GeV (également ici).

5. Un autre coup dur est la non-détection des signatures d'annihilation et de désintégration. Les données prometteuses de l'observation du centre galactique par le satellite Fermi ont maintenant été largement exclues en tant que signatures de matière noire chez Samuel K. Lee, Mariangela Lisanti, Benjamin R. Safdi, Tracy R. Slatyer et Wei Xue. "Preuve de sources ponctuelles de rayons gamma non résolues dans la galaxie intérieure." Phys. Rev. Lett. (3 février 2016). Et les signes de ce qui ressemblait à un signal d'annihilation de la matière noire chaude se sont également avérés être une fausse alerte.

6. L’expérience CMS au LHC exclut une classe importante de candidats de matière noire WIMP de faible masse, tandis que d’autres résultats du LHC excluent essentiellement tous les candidats supersymétriques possibles pour la matière noire. Si les particules SUSY existaient, elles seraient toutes les deux trop lourdes pour constituer de la matière noire chaude (presque tous les types de particules SUSY sont exclus jusqu'à environ 40 GeV par le LHC qui est trop lourd) et elles manqueraient également du bon type d'auto-interactions forcer dans un contexte SUSY à être un candidat SIDM. Cela a des implications particulièrement larges parce que SUSY est la théorie efficace à basse énergie de presque toutes les théories GUT populaires et de la théorie des cordes viable.

7. Alors que MOND nécessite de la matière noire dans les amas galactiques, y compris le cas particulièrement difficile de l'amas de balles, ce défaut n'est pas partagé par toutes les théories de gravité modifiées (voir, par exemple, ici et ici). De nombreuses théories qui peuvent expliquer avec succès l'amas de balles sont capables de le faire principalement parce que la collision peut être décomposée en composants gazeux et galactiques qui ont des effets indépendants les uns des autres selon les théories en question. Le groupe de balles est également l'une des principales contraintes sur l'espace des paramètres SIDM (qui lui-même modifie la gravité, mais le fait simplement dans le secteur sombre, limitant ces modifications aux particules de matière noire uniquement), et est difficile à concilier avec la particule de matière noire. théories.

8. Il est possible dans une théorie de la gravité modifiée, mais très difficile dans une théorie des particules de matière noire, d'expliquer pourquoi le rapport masse / luminosité des galaxies ellipiques varie d'un facteur quatre, systémiquement basé sur le degré auquel ils sont sphériques ou non.

9. De nombreuses propositions de gravité modifiées suffisamment mûres pour attirer l'attention sur leur adéquation aux données cosmologiques peuvent également répondre à ce test. Voir, par exemple, ici.

10. En bref, si une hypothèse de matière noire peut à elle seule expliquer la matière apparemment manquante dans une situation donnée, pour obtenir une théorie descriptive, vous devez être capable de décrire la manière très spécifique dont elle est distribuée dans l'univers par rapport à la matière baryonique dans l'univers, idéalement d'une manière qui prédit de nouveaux phénomènes, plutôt que de simplement post-dicter les résultats déjà observés qui sont entrés dans la formulation du modèle.

Les théories de la gravité modifiées ont été à plusieurs reprises prédictives, tandis que les théories de la matière noire n'ont toujours pas compris comment la distribuer correctement dans tout l'univers sans «tricher» dans la manière dont les modèles les testant sont configurés, et n'ont pas réussi à faire de bonnes prédictions. de nouveaux phénomènes en dessous de l’échelle cosmique de rayonnement de fond micro-ondes de la cosmologie.

Conclusion

Pour être clair, je n'affirme pas que la gravité modifiée est en effet une explication correcte de tout ou partie des phénomènes attribués à la matière noire, et je n'affirme pas non plus qu'aucune des théories de gravité modifiées actuellement largement diffusées soit en fait des descriptions correctes. de nature.

Mais les exemples de théories de la gravité modifiées que nous avons sont suffisants pour montrer clairement qu'une sorte de théorie de la gravité modifiée est une solution possible crédible au problème des phénomènes de matière noire.

C'est aussi une solution plus crédible qu'elle ne l'était auparavant, car les arguments en faveur des théories les plus populaires sur les particules de matière noire sont devenus de moins en moins convaincants, car divers types de candidats à la matière noire ont été écartés et que davantage de données ont réduit le paramètre.espace disponible pour les candidats de la matière noire.Le "miracle WIMP" qui a motivé beaucoup de premières propositions de matière noire est mort.

Bien que cette réponse ne passe pas en revue de manière exhaustive tous les candidats possibles à la matière noire et ne les exclut pas par l'affirmative (ce qui dépasse le cadre de la question), elle indique clairement qu'aucune des solutions faciles dont on s'attendait à ce qu'elles fonctionnentau 20e siècle ont survécu à l'épreuve du temps jusqu'en 2016. Au cours des six dernières années, seules quelques théories viables sur les particules de matière noire ont survécu, tandis qu'une myriade de nouvelles théories de gravité modifiées ont été développées et n'ont pas été exclues.