22/09/2016

Découverte stupéfiante d’une forte corrélation entre matière ordinaire et « matière noire » dans les galaxies spirales


Une découverte potentiellement très importante vient d’être effectuée au sujet de la matière noire : l’existence d’une corrélation forte entre la quantité de matière ordinaire dans les galaxies spirales et le potentiel gravitationnel total de la galaxie : l’effet gravitationnel attribué à la matière noire dépendrait donc directement de la quantité de matière ordinaire dans ces galaxies, un résultat décoiffant !



C’est en 1969 que l’astronome américaine Vera Rubin mit pour la première fois en évidence l’existence d’une anomalie dans la vitesse de rotation des galaxies (en l’occurrence la galaxie d’Andromède). Cette anomalie des courbes de rotation (qui montrent la vitesse de rotation des étoiles et du gaz en fonction de leur distance au centre de la galaxie) est le fait que la vitesse de rotation tende à rester constante à grande distance alors qu’elle devrait « normalement » décroître en fonction de la racine carrée de la distance, selon les lois classiques des mouvements issus de l’application des équations de la gravitation. Des courbes de rotation aplaties ont été mesurées, depuis les observations pionnières, dans de très nombreuses galaxies de différentes tailles et caractéristiques.
Après s’être longtemps creusé la tête, les astronomes ont convergé vers l’idée de la présence d’une matière invisible, massive, qui baignerait l’ensemble de la galaxie sous la forme d’un vaste halo, et dont l’effet gravitationnel permet d’expliquer l’aspect des courbes de rotation observées. Ainsi est né le concept de matière noire. Ce n’est que quelques années plus tard que les physiciens des particules sont arrivés avec dans leurs bagages de très intéressantes particules exotiques ayant les bonnes caractéristiques pour tenir le rôle de cette matière noire.
Dans ce concept de halo sphérique de matière noire englobant les disques galactiques d’étoiles et de gaz, les deux types de matière sont censés être complètement indépendants l’un de l’autre, n’interagissant quasiment pas entre eux. Le potentiel gravitationnel généré par le halo de matière noire permet simplement d’ajouter une accélération centripète aux étoiles et au gaz, ce qui induit la grande vitesse de rotation observée à grande distance du centre galactique.


L’étude de l’équipe d’astronomes américains menée par Stacy McGaugh, qui vient d’être acceptée pour publication dans la très sérieuse et réputée revue Physical Review Letters, apporte une toute nouvelle vision de ce qui se passe dans les galaxies. Les auteurs y montrent, via l’étude d’un large panel de galaxies spirales et irrégulières, qu’il existe une très forte corrélation entre l’accélération centripète déduite des courbes de rotation, c’est-à-dire l’accélération telle qu’elle est observée via la dynamique des étoiles et du gaz, et l’accélération déduite de la quantité de matière ordinaire (matière baryonique) présente dans la galaxie, qui a pu être réévaluée finement avec de nouvelles mesures de l’émission en proche  infra-rouge des galaxies.
Soyons clair : les deux valeurs d’accélération ne sont pas égales, il existe toujours une composante « invisible », incomprise, mais les deux accélérations se trouvent être liées entre elles par une relation mathématique simple, ce qui est tout à fait nouveau. Plus la quantité de matière ordinaire est grande, plus l’accélération induite par la « matière noire » est importante, et cette corrélation est vraie même dans les galaxies qui apparaissent très pauvres en matière noire, soit riches en étoiles ou riches en gaz ou à l’inverse dans celles apparaissant dominées par la matière noire. Il est donc possible en utilisant la relation empirique trouvée par McGaugh et ses collègues, de déterminer précisément la courbe de rotation d’une galaxie en ne mesurant que sa quantité de matière ordinaire, sans ajouter aucun paramètre ad hoc. Ce résultat a une conséquence très importante sur le concept de matière noire, voire, pourrait lui être fatal.
Les astronomes ont utilisés un grand échantillon de galaxies spirales et irrégulières du catalogue SPARC (Spitzer Photometry & Accurate Rotation Curves), allant de la galaxie géante à la galaxie naine, et possédant ou non un bulbe central. Les caractéristiques de ces galaxies sont très diverses, que ce soit sur leur vitesses de rotation, leur contenu en gaz ou leur luminosité totale. Ils ont collectés durant cinq ans des mesures en proche infra-rouge de plusieurs centaines de galaxies avec le télescope spatial Spitzer pour en retenir finalement 153, dans l’idée de pouvoir mesurer très précisément la masse totale des étoiles dans les galaxies. La relation masse-luminosité est en effet beaucoup plus fiable en proche infra-rouge qu’en visible.
La seule hypothèse que font ensuite les astronomes dans leur calcul est la valeur du rapport masse/luminosité, qu’ils considèrent le même pour toutes les galaxies (exceptées celles, minoritaires dans l’échantillon, qui possède un bulbe), et qui est de 0,5 masse solaire par unité de luminosité solaire. Ayant mesuré la luminosité infra-rouge avec une grande précision, et à partir de leur facteur de conversion masse/luminosité, ils obtiennent alors une valeur de masse, pour différentes distances par rapport au centres galactiques, en tout pas moins de 2700 points pour les 153 galaxies de l’échantillon.
Connaissant la masse, on déduit facilement la densité rhobar, qui permet à son tour d’obtenir, une petite équation de Poisson plus tard, le potentiel gravitationnel correspondant Phibar(r). L’accélération gravitationnelle associée, nommée ici gbar n’est autre que la dérivée du potentiel par rapport à la variable r.

Quant à l’accélération gravitationnelle totale gobs, celle déduite de la courbe de rotation, qui rappelons-le est la représentation de la vitesse tangentielle V(r) par rapport à la distance r, elle est égale classiquement à V²(r)/r.
Stacy McGaugh, Federico Lelli et James M. Schombert tracent ensuite pour chaque distance r (environ 20 points par galaxie) et pour chaque galaxie, la valeur de gobs en fonction de celle de gbar. Le graphe obtenu est on ne peut plus éloquent. Se dessine une belle suite de points très peu dispersés, montrant la relation existant entre les deux grandeurs. La théorie dominante décrivant un halo de matière noire décorrélé de la quantité de matière visible devrait donner pour ce graphe un gros nuage de points très dispersés…
La conclusion de cette étude est que la distribution de la « matière noire » peut être directement déduite de la matière baryonique seule. Elles apparaissent fortement couplées entre elles.
L’accélération gobs s’exprime en fonction de gbar par l’expression suivante, et en considérant que cette valeur totale observée et la somme de la composante baryonique et d’une composante de matière noire gDM, cette dernière s’exprime également simplement en fonction de la seule accélération due à la matière baryonique gbar. Le g+ qui apparaît dans l'équation est une constante.
Pour interpréter ce phénomène, les auteurs proposent trois possibilités, sans trancher entre elles mais on le sent à la lecture de l'article, avec une légère préférence pour la dernière d’entre elles :
  1. Le couplage observé est le résultat final de la formation des galaxies, mais cela semble poser pas mal de difficultés vis-à-vis du processus de formation des galaxies,
  2. La matière noire est le fruit d’une nouvelle physique, où les deux types de matière interagissent l’une sur l’autre, ce pourrait être le cas dans certaines théories notamment où la matière noire se comporte comme  un superfluide, ou bien est soumise à une « polarisation gravitationnelle »,
  3. De nouvelles lois dynamiques existent au sein des galaxies en rotation et se substituent au concept de matière noire.
Dans tous les cas, et si ces résultats sont confirmés par d’autres mesures du même genre par d’autres équipes, le modèle de la matière noire formant un halo autour des galaxies, indépendant de leur contenu baryonique, devrait être profondément revu.

Il est désormais urgent de valider cette observation stupéfiante, qui risque de bouleverser un des plus importants paradigmes de la cosmologie actuelle.

Source : 

The Radial Acceleration Relation in Rotationally Supported Galaxies
Stacy S. McGaugh,Federico Lelli, James M. Schombert
accepté pour publication dans Physical Review Letters (16 septembre 2016)

Illustrations : 

1) Plot de gobs en fonction de gbar (unités logarithmiques) (McGaugh et al).

2) Vue d'artiste du télescope Spitzer (NASA)

Les expressions mathématiques sont extraites de la publication de S. McGaugh et al.

38 commentaires :

Popaul a dit…

Bonjour
" Le g+ qui apparaît dans l'équation est une constante" : Pas n'importe laquelle : c'est le a0 de MOND (1,2 10-10 m/s2) ! Que faut-il en penser ? Y a -t-il équivalence de ces deux formulations empiriques ?
Merci encore pour ton blog !

Dr Eric SIMON a dit…

J'ai préféré ne pas mettre l'accent là-dessus car dans la publi non plus ils ne mettent pas trop en avant ce point, même si ils évoquent MOND en conclusion. Les auteurs précisent que la valeur de g+ apparaît ici naturellement dans les données, résultat du fit de la fonction gobs=f(gbar). Ils précisent bien que leur résultat est purement observationnel, sans aucune modélisation théorique, et sans rapport avec l'approche MOND.

Popaul a dit…

Oui, sans rapport avec MOND au sens où leur observation et leur loi de corrélation a été établie tout à fait indépendamment de MOND. Mais cela revient à une confirmation de MOND puisque :
(1) les deux formulations fonctionnent aussi bien pour les galaxies spirales
(2) Leur formulation doit donc nécessairement retrouver la loi MOND pour les accélérations du régime mondien a << a0 (je suis trop nul en math pour le montrer). En ce sens ils confirment MOND , qui va plus loin en exhibant la forme observationnelle de la modification de l'accélération newtonienne pour a << a0, mais va moins loin puisqu'elle ne propose par de loi observationnelle pour l'interpolation des deux régimes newtonien (a >> a0) et mondien ( a << a0)

Yves a dit…

Bonjour,
Le fait que g+ est égal au a0 de MOND n'est pas surprenant : en effet, pour g_bar<<g+, la relation trouvée par les auteurs se simplifie (au premier ordre) en
g_obs = racine(g_bar x g+)
On retrouve donc la relation empirique de MOND pour les champs faibles, et il serait au contraire étonnant que les mêmes observations (vitesses de rotation des étoiles à la périphérie des galaxies spirales) conduisent à deux valeurs différentes de cette constante.

D'ailleurs, les auteurs notent eux-même dans leur conclusion que leur équation [4] est liée à la fonction d'interpolation de la théorie MOND. En fait, ce n'est qu'une forme particulière de cette fonction.
Finalement, je ne sais pas s'il s'agit d'une découverte majeure. La seule nouveauté par rapport à MOND est la détermination de cette forme particulière. Mais dans MOND, on avait également affaire à une relation vérifiée pour toutes les galaxies spirales, indépendamment de leur "richesse" en "matière noire". Quelle que soit l'explication de cette relation (présence d'un halo de matière noire -avec un profil ad hoc-, ou modification de la gravitation ou de l'inertie), personne ne conteste qu'elle est confirmée par les observations.

Pascal a dit…

Comme le souligne Popaul, les approches type Mond sont purement empiriques ; leur grande efficacité à l'échelle galactique rend finalement peu surprenant le fit obtenu dans cette étude ; cela ne règle en rien la raison profonde de ce fit, d'où la prudence des auteurs.

Petite correction, "la vitesse de rotation tende à rester constante à grande distance alors qu’elle devrait « normalement » décroître en fonction de la distance au carré", il faut lire plutôt : en fonction de la racine carrée de la distance (V²=GM/R).

Dr Eric SIMON a dit…

Il y a une grande différence d'approche: MOND fait l'hypothèse que tout le potentiel gravitationnel est dû aux baryons et cherche la nouvelle expression pour retrouver la forme dz ce potentiel et les courbes de rotation. Ici on considère qu'il existe une accélération due a une composante dark et ils montrent par une nouvelle évaluation de la masse baryonique que la composante dark depend de la densité baryonique. Ça n'implique pas necessairement que ce soit la loi de gravitation qui doive être modifiée. Cette découverte en est une et peut être majeure car elle étaye l'hypothèse à la base de MOND mais pas uniquement. Elle lui est nécessaire mais pas encore suffisante car pouvant indiquer une matière noire d'un nouveau genre.

Yves a dit…

"ils montrent par une nouvelle évaluation de la masse baryonique que la composante dark depend de la densité baryonique"
Est-ce que ce n'est pas vrai aussi avec d'autres fonctions d'interpolation F utilisables dans MOND?
Il me semble que dans tous les cas, on peut écrire g_obs = g_bar + g_dm, et si on a une relation g_obs = F(g_bar) entre g_obs et g_bar, ne dépendant que d'une constante a_0, on peut en déduire une relation entre g_dm et g_bar: g_dm = F(g_bar) - g_bar, qui fait dépendre la densité de la composante DM de la densité baryonique.

Dr Eric SIMON a dit…

Oui, mais la théorie MOND ne parle pas d'accélération due à la composante DM. En fait, on pourrait retourner le raisonnement de MOND en montrant que ça revient à ajouter une composante d'accélération à la composante déduite de la matière visible, qui dépend de la densité de cette matière visible. Le fait que MOND fitte très bien les courbes de rotation indique alors l'existence de cette composante DM dépendant de la matière baryonique ! Il y a bien 2 façons de voir la même chose : soit en modifiant la loi de gravitation (MOND), soit en considérant la présence d'une composante dark qui est fortement couplée à la matière baryonique. Pour départager les deux vues, il va falloir regarder ailleurs que dans la rotation des galaxies...

Dr Eric SIMON a dit…

L'inventeur de la théorie MOND, Mordehai Milgrom, a très mal pris l'absence de références à MOND dans cette étude, qui arrive aux même type de relation que ce qu'on obtient dans la MOND; il vient de publier sur ArxiV une sorte de mise au point, dans laquelle il clame que les résultats de McGaugh sont en fait un triomphe (ce sont ses mots) pour la théorie MOND... Voir là : http://arxiv.org/abs/1609.06642
Il prêche évidemment pour sa chapelle...

Popaul a dit…

Merci Yves pour le calcul au 1° ordre

Pour la fonction d'interpolation, il me semble que la (grande ?) différence est qu'ici elle procède directement de l'ajustement d'une fonction aux observations, tandis que les diverses fonctions d'interpolation proposées par les mondiens sont des solutions de continuité choisies pour raccorder au mieux les deux régimes.

Pour les interprétations possiblement non mondiennes de cette loi de corrélation, ils évoquent notamment cette idée d'une matière noire dont la stricte corrélation avec la matière baryonique viendrait du fait qu'elle serait comme produite par la matière baryonique à certaines échelles. Je pense qu'il existe quelque chose d'analogue pour les domaines non galactiques où MOND ne suffit pas, mais pour les galaxies on voit mal comment cette relation qui n'a rien de linéaire et surtout aboutit à définir un seuil d'accélération pourrait être expliquée par un modèle simple et non ad hoc. Les théories comme MOG (John Moffat) ou semble-il celle de Justin Khoury (ref 50) ou le "The Dark Fluid framework" (Zhai, Li, ref 49) sont complexes et surtout utilisent de nouveaux ingrédients (champs scalaires multiples, nouveaux paramètres...) qui sont comme la DM également inventés pour répondre au besoin (même si le caractère ad hoc est infiniment moindre: plus de distributions de DM ajustées). Ex ref 49 : "The Dark Fluid framework naturally branches into a continuous spectrum of theories with Dark Energy and Dark Matter effects, including the f(R) gravity, TeVeS-like theories, Einstein-Aether and νΛ theories as limiting cases". Le fait même que plusieurs théories arrivent aux mêmes fins est suspect : elle donnent l'impression d'être autant d'exercices de haute voltige. Il me semble que ce qu'il faudrait impérativement, c'est interpréter cette nouvelle constante de la nature qu'est le a0 de MOND sans modifier la loi de la gravité newtonienne ET sans de tels ingrédients divers et variés.

Dr Eric SIMON a dit…

Une solution hyperélégante pour introduire une accélération additionnelle qui dépend de la densité en matière baryonique reste la solution de Stéphane Le Corre dont vous vous souvenez certainement : l'accélération centripète produite par un champ gravitique, mais qui serait le champ gravitique interne de la galaxie pour le coup, et non le champ gravitique de l'amas de galaxies (?..)

Popaul a dit…

Pour sa paroisse, j'aimerai bien qu'il m'embauche comme enfant de chœur. J'ai bien un petit psaume en réserve, mais il reste loin de me satisfaire entièrement. Sacristie j'en ai trop dit !

Popaul a dit…

C'était une belle tentative, mais on ne va pas en refaire la critique

Dr Eric SIMON a dit…

La solution devra être élégante de toute façon...

Dr Fox a dit…

Si la matière noire est une conséquence de la matière connue, cela pourrait être un signe que cette matière noire n'existe pas en tant que matière mais en tant que champ de force encore inconnu. On pourrait imaginer que ce "champ noir" soit le fruit d'un frottement entre la quantité de matière en mouvement et la toile de l'univers statique ; plus ça bouge, plus ça frictionne et plus ça créé de l'énergie !

Thomas a dit…

Il faut peut être avouer que Mordehai Milgrom n'a pas complètement tord quand il dit dans sa "mise au point" publiée cette semaine en réponse au papier de McGaugh et al. que la corrélation entre accélération observée et accélération déduite de la matière baryonique n'est pas une découverte ? Il précise d'ailleurs que le premier papier mettant en évidence une telle corrélation date de 1990 (écrit par un certain R.H. Sanders), et que l'estimation de cette corrélation n'aurait cessé de s'affiner au fil des années jusqu'à cette dernière étude de McGaugh et al.
Alors peut être que l'écrivain Bill Bryson n'a pas complètement tord lui non plus quand il écrit dans son merveilleux livre "Une histoire de tout, ou presque..." :
"Il existe trois phases dans une découverte scientifique : celle où les gens nient qu'elle soit vraie; celle où ils nient son importance; et enfin celle où ils l'attribuent à la mauvaise personne."

Dr Eric SIMON a dit…

L'article de R.J Sanders se trouve ici :
http://link.springer.com/article/10.1007/BF00873540

La découverte de McGaugh et al. que je relate est avant tout la force de la corrélation qu'ils trouvent entre les deux accélérations. La dispersion mesurée est très faible, grâce aux nouvelles mesures de luminosité en proche IR qu'ils ont exploitées, donnant la masse baryonique. McGaugh et al. ont raison de ne pas clamer la victoire de la théorie MoND, car on sait que ce n'est qu'une théorie phénoménologique qui ajoute une équation permettant de fitter la "mass discrepancy", mais qui est loin d'être complète.

Yves a dit…

@ Popaul
"Pour les interprétations possiblement non mondiennes de cette loi de corrélation, ils évoquent notamment cette idée d'une matière noire dont la stricte corrélation avec la matière baryonique viendrait du fait qu'elle serait comme produite par la matière baryonique à certaines échelles."

Il ne s'agit pas forcément de matière :

@ Dr Fox
"Si la matière noire est une conséquence de la matière connue, cela pourrait être un signe que cette matière noire n'existe pas en tant que matière mais en tant que champ de force encore inconnu."

Pas forcément encore inconnu :

@ Dr Eric
"Une solution hyperélégante pour introduire une accélération additionnelle qui dépend de la densité en matière baryonique reste la solution de Stéphane Le Corre dont vous vous souvenez certainement : l'accélération centripète produite par un champ gravitique, mais qui serait le champ gravitique interne de la galaxie pour le coup, et non le champ gravitique de l'amas de galaxies"

L'ordre de grandeur du champ gravitomagnétique produit par la rotation de la galaxie est très insuffisant pour expliquer le phénomène MoND. Au moins sur ce point je suis d'accord avec S. Le Corre.

En revanche, j'avais essayé d'explorer l'idée suivante, sans arriver à la formaliser correctement : il me semble que, si on prend la galaxie dans son ensemble comme un objet en rotation par rapport au reste de l'univers (avec un moment cinétique total non nul), on peut définir un repère dans lequel la galaxie est "au repos" (présente un moment cinétique total nul). Ce repère est lui aussi en rotation, avec une vitesse "moyenne" : dans ce repère, les étoiles proches du centre de la galaxie tournent dans un sens (celui de la rotation de la galaxie par rapport à l'univers), les étoiles lointaines dans l'autre sens, de manière que la somme de leurs moments cinétiques soit nulle.
Mais dans ce repère, le reste de l'univers est lui aussi en rotation, en sens inverse (donc dans le même sens que les étoiles de la périphérie de la galaxie). La rotation apparente de l'ensemble des masses de l'univers lointain pourrait être la source d'un champ gravitomagnétique, s'ajoutant au champ gravitationnel classique pour produire une accélération centripète supplémentaire.
Je n'ai pas été capable de faire le calcul :
- d'une part le calcul du moment cinétique total de la galaxie demande de disposer d'un modèle complet des profils de densité et des vitesses de rotation (fonction de leur distance au centre) de chacune de ses composantes baryoniques (étoiles + disque de gaz + halo de gaz chaud).
- d'autre part le champ gravitomagnétique produit en son centre par la rotation d'une coquille de matière de densité uniforme est simple à calculer (c'est un résultat classique), et on peut modéliser l'univers observable comme un ensemble de coquilles infinitésimales; mais c'est là que ça se complique, car il faut tenir compte de l'expansion de l'univers pour calculer l'influence de chacune de ces coquilles.

A défaut de faire un calcul rigoureux, j'avais essayé d'estimer un ordre de grandeur, et a priori le résultat n'est pas idiot... Mais j'aimerais bien qu'un vrai (astro-)physicien se penche sur cette idée, soit pour me dire qu'elle est complètement fumeuse (et m'expliquer pourquoi), soit pour la pousser jusqu'au bout.

Thomas a dit…

Je suis bien d'accord avec vous Dr Simon. Autant Milgrom a raison de rappeler que cette corrélation n'est pas entièrement nouvelle mais désormais bien plus précise et forte qu'avant (d'où mon commentaire précédent), autant il dérape de dire qu'il s'agit d'une "preuve triomphale" pour la théorie MOND. McGaugh et al. restent plus professionnels en concluant que MOND n'est encore qu'une piste possible parmi d'autres pour expliquer cette corrélation, dont certaines de ces pistes incluent toujours une forme de matière noire.

Popaul a dit…

@Yves pour ta remarque vers Popaul alias bibi

Oui, tout à fait d'accord : au lieu de dire "(...) cette idée d'une matière noire dont la stricte corrélation avec la matière baryonique (...)" j'aurais du dire "(...) cette idée d'un EFFET matière noire dont la stricte corrélation avec la matière baryonique (...)". Ce qui ne préjuge pas de la nature de la cause de cet effet.

@Thomas

Ce n'est pas que cette corrélation n'est pas entièrement nouvelle, c'est qu'elle est entièrement

ancienne mais mal connue (voir son papier, c'est MOND sous la forme MDAR). Seul son degré de précision est ici entièrement nouveau, et c'est cela que Milgrom appelle un triomphe d'adéquation pour sa règle MOND. Et il parait un peu curieux que McGaugh, devenu spécialiste de MOND (cf ses MOND pages) ne connaissait pas cette forme de MOND. Qoui qu'il en soit, il était important que l'on ne s'égare pas à penser qu'une nouvelle voie théorique était ouverte par cet article.
D'autre part MOND n'est pas une théorie mais une REGLE empirique qui serait aberrante si on la prenait pour une THEORIE de gravité modifiée. Mais qui marche si bien que son paramètre a0 constitue de fait une découverte. Une règle par exemple ni plus ni moins absurde que la règle de la quantification du moment cinétique des électrons atomiques tout comme la règle MOND contredit apparemment la gravité newtonienne et donc aussi la RG (sans parler de l'absence de lensing). Milgrom a toujours été très clairvoyant là-dessus et a toujours recherché un fondement théorique à MOND, aucun ne le satisfaisant jusqu'ici (cf sa revue en 2002 de divers essais d'interprétation).
Il me parait clair que toute théorie de l'effet matière noire devra retrouver, sinon valoriser, ce seuil d'accélération a0 qui permet dans le domaine galactique de se passer de cette DM qui reste invisible et aux distributions absurdement ad hoc.

Popaul a dit…

@Dr Eric

Si le champ gravitique k0 qui génère la force gravitomagnétique centripète doit pour cela être perpendiculaire à la vitesse tangentielle des étoiles de la galaxie en rotation, comment pourrait-il être le champ gravitationnel de la galaxie elle-même ? Car ce champ étant centripète c'est à dire défini dans le plan du disque, il me semble qu'il ne pourrait générer qu'une force GM perpendiculaire au disque, et non pas la force GM centripète recherchée.

Popaul a dit…

Correctif : j'ai effacé un bout de phrase dans ma réponse à Thomas sur la règle MOND :

(...) Une règle par exemple ni plus ni moins absurde que la règle de la
quantification du moment cinétique des électrons atomiques en contradiction flagrante avec l'électrodynamique classique, découverte par Bohr et néanmoins acceptée pour son efficacité bien avant que la MQ encore inexistante puisse la justifier, tout comme la règle MOND contredit apparemment la gravité newtonienne et donc aussi la RG (sans parler de l'absence de lensing) avant qu'une théorie à venir puisse la justifier.

Dr Eric SIMON a dit…

Non Popaul, le champ gravitique k0 aurait une composante orthogonale à la vitesse tangentielle V des étoiles/gaz, ce qui produit une accélération centripète, toujours orthogonale à la fois à la vitesse tangentielle et à la composante perpendiculaire de k0. gDM ~ k0^V. Il s'agit d'un produit vectoriel. La résultante est bien centripète.
En en y réfléchissant à nouveau, je dois dire que je me suis trompé plus haut. Il existe bien une dépendance entre le champ gravitique k0 et la densité de baryons! Simplement par ce que justement cette accélération additionnelle dépend de la vitesse V. Et comme gObs = V²/r, on a donc une dépendance entre gDM=k0.V (ici en module) et gObs = V²/r. Et comme McGaugh montre bien (lui après d'autres) que gObs=f(gBar), on a donc une dépendance k0V=f(gBar). En d'autres termes, on a k0=f(rhoBar, V): le champ gravitique dépend de la densité baryonique pour une vitesse de rotation donnée, ce qu'on peut aussi dire V=f(rhoBar, k0).
La solution de S. Le Corre, qui n'est rien d'autre que la Relativité générale, vue avec tous ces effets, permet une alternative réelle sans essayer de modifier la gravitation par l'ajout d'un a0 mystérieux. Bon, OK, l'origine du k0 reste à déterminer, mais sachant ce que c'est et sa valeur, on peut imaginer en trouver l'origine un jour.

Yves a dit…

@ Dr Eric
"La solution de S. Le Corre, qui n'est rien d'autre que la Relativité générale, vue avec tous ces effets, permet une alternative réelle sans essayer de modifier la gravitation par l'ajout d'un a0 mystérieux. Bon, OK, l'origine du k0 reste à déterminer, mais sachant ce que c'est et sa valeur, on peut imaginer en trouver l'origine un jour."

Si on veut accorder du crédit à la solution de S. Le Corre, il faut trouver une origine universelle à son k0 (ce qu'il ne fait pas), puisque les observations semblent bien prouver que le a0 de MOND est bien une constante universelle (ce qui ne veut pas dire qu'elle est fondamentale).
C'est ce point qui était à l'origine de l'idée que j'ai développée dans mon dernier message - et à mon avis, seule cette idée, si elle n'est pas absurde, peut permettre de "sauver" la solution de S. Le Corre : en effet l'influence gravitomagnétique des structures locales (amas dans son hypothèse) ne peut pas être strictement identique dans tout l'univers.

Popaul a dit…

@Dr Eric
Oui, j'ai du mal avec le gravitomagnétisme (GM) de la RG. J'ai voulu faire le correctif suivant avant de voir ta réponse : le champ gravitique k0 en GM est non pas le champ de gravité mais l'équivalent en électromagnétisme (EM) du champ magnétique créé par une charge électrique en mouvement, soit en GM le champ créé par des masses en mouvement. Le champ "magnétique" k0 ne peut donc pas être le champ de gravitè de la galaxie, mais seulement, peut-être, un champ produit par ses masses globalement en mouvement. Que ce mouvement soit leur mouvement de rotation galactique, ou le mouvement global de translation de la galaxie dans le repère comobile défini par le CMB. Si ce champ k0 est essentiellement dû au mouvement de rotation galactique des masses, il est alors exactement perpendiculaire aux vitesses qui le produisent et donc au plan du disque galactique. Il peut alors produire une force GM perpendiculaire à sa direction et à la vitesse tangentielle des masses, donc définie dans le plan de rotation.
Est-ce bien cela ? Mais alors pourquoi une force GM centripète plutôt que centrifuge ? Car il me semble que, par analogie avec le champ magnétique, le champ gravitique généré par les vitesses tangentielles doit être circulaire autour de chaque étoile en mouvement galactique et de sens défini selon la règle du "tire bouchon de Maxwell". Donc à égalité dans les deux directions de la perpendiculaire au plan galactique. De sorte que la résultante globale de ces champs, pour l'ensemble des étoiles en mouvement, est nulle selon cette perpendiculaire au plan de la galaxie. La rotation galactique ne produit donc pas de champ gravitique k0, qui ne peut de ce fait produire une force GM ni centrifuge ni centripète dans le plan de la galaxie. Autrement dit le mouvement d'une masse ne peut à lui seul générer la force GM équivalente à la force de Lorentz en EM : il faut un champ gravitique k0 exogène appliqué de l'extérieur et perpendiculairement au mouvement de la masse. Est-ce que je me trompe encore ?

Dr Eric SIMON a dit…

Il n'y a aucune raison pour que k0 soit universel. Le Corre trouve une valeur proche de k0 pour différentes galaxies, mais ce n'est pas une valeur unique, il existe une certaine dispersion de k0 dans ce qu'il trouve et il me semble dans la discussions qu'on avait eues à l'époque, qu'il avait montré qu'une origine venant d'un groupe d'amas voisins était compatible.
Si k0 etait un vecteur universel identique dans tout l'univers observable comme dans ce que vous proposez, toutes les galaxies de tous les amas devraient avoir le même sens de rotation, ce qui est inimaginable

Yves a dit…

Je ne dis pas que le vecteur k0 doit être universel, pas plus sa direction que sa norme. Dans mon hypothèse (champ gravitomagnétique créé par la rotation apparente du reste de l'univers), il est spécifique à chaque galaxie, et parallèle à son axe de rotation.
Mais son origine serait universelle, et non spécifique à l'environnement immédiat de la galaxie (galaxies ou amas proches).

Dr Eric SIMON a dit…

Ok, pas une valeur universelle, mais une origine universelle! Oui, en fait votre raisonnement ne me paraît pas totalement absurde, il suffit d'imaginer le cas magnétique plus facile appréhender. Chaque galaxie aurait dans ce cas nécessairement un k0 exactement orthogonal à son disque de rotation, donc un effet maximal. Mais le nouveau repère de la galaxie "au repos"serait en rotation par rapport à quoi ? Là je ne comprends pas bien...

Yves a dit…

Dans ce repère, disons R', c'est le reste de l'univers qui apparaîtrait en rotation, et qui serait donc la source d'un champ gravitomagnétique.
Il en résulterait une accélération centripète ou centrifuge des étoiles, suivant le sens de leur vitesse de rotation dans R' (et donc, dans le repère "habituel" R, suivant qu'elles tournent plus vite ou moins vite que la vitesse de rotation de R' par rapport à R).

Yves a dit…

Une petite précision en complément du message que je viens de poster (pas encore publié): par repère "habituel" j'entends un repère dont les axes sont définis par la position d'étoiles aussi lointaines que possible, et pouvant donc être considérées comme fixes.

Dr Eric SIMON a dit…

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Pour répondre au com de Popaul du 26.09 (21h53):
S. Le Corre ne dit pas que k0 est le champ gravitationnel "sombre", non, c'est bien l'accélération associée à ce champ gravitomagnétique k0 : gDM = k0^V. Et faites attention, k0 n'est pas le champ gravitomagnétique produit par le mouvement des masses de la galaxie elle-même, mais bien un champ externe, dont l'influence se fait sentir avant tout dans les zones externes des galaxies. Enfin, le mouvement des masses à l'intérieur d'une galaxie produirait bien également un champ gravitique du même type (appelé k1 chez Le Corre). La "règle du tire bouchon" ou des "trois doigts de la main droite" montre clairement que le mouvement circulaire antihoraire d'une charge électrique positive produit un champ magnétique vers le haut et la présence d'un champ magnétique orienté vers le haut produit une courbure vers la gauche sur une charge positive. Transposez ça en charge+ -> masse et B->k0, vous obtenez une force toujours centripète dans un disque en rotation.
Si le champ externe k0 est tel par sa direction par rapport à la rotation d'une galaxie qu'il produit une une force centrifuge sur son contenu, la galaxie se désagrège et n'aurait tout simplement pas pu se former. Cet argument de Le Corre me plaît pas mal.

Popaul a dit…

@Dr Eric

(excusez mon tutoiement, c'est que j'habite tout près de la Belgique... => j'adopte dorénavant le vouvoiement pratiqué par tous sur ce fil)
Je crois que nous ne nous sommes pas compris. Dans ma réponse du 26 septembre 2016 à 21:53, j'avais d'abord voulu valider que j'avais cette fois bien compris le gravitomagnétisme après votre première explication, et ici patiemment réexpliqué dans votre réponse du 27 09 2016 à 18:43. A savoir que (1) le champ gravitique K0 est produit par le mouvement des masses comme le champ magnétique est produit par le mouvement des charges, dans un repère où elles sont en mouvement. (2) Si un tel k0 s'exerce sur la galaxie perpendiculairement à sa rotation, il produit sur les masses en mouvement de rotation galactique et dans le plan de la galaxie une force (analogue de la force de Lorentz) centripète ou centrifuge selon la règle des 3 doigts. J'ai bien compris et toujours su que ce n'est pas k0 seul mais que c'est comme en EM la combinaison de ce k0 avec le mouvement des masses qui produit la force perpendiculaire à leur mouvement.
Ce que je discutais ensuite, c'était votre idée selon laquelle ce k0 gravitique, au lieu d'être externe à la galaxie c'est à dire généré par des mouvements de masses extra galactiques (amas...), pourrait être généré par le mouvement même des masses de la galaxie (On l'appelle alors k1). Avec ça à l'esprit, je crois que si on relit mon commentaire du 27 à 18:43, il devient plus compréhensible bien qu'imprécis.

Si ce champ k1 est essentiellement dû au mouvement de rotation galactique des masses, il est alors exactement perpendiculaire aux vitesses qui le produisent et donc perpendiculaire au plan du disque galactique. Mais comment pourrait-il alors s'appliquer à ces MÊMES masses en mouvement qui le produisent ? Toujours en me basant sur le modèle de l’électromagnétisme, imaginons le champ gravitique généré par une des masses en mouvement. S'il est bien l'analogue du champ magnétique, il forme un FLUX CIRCULAIRE autour de l'axe de la vitesse tangentielle de la masse (alias charge) source en mouvement dans la galaxie (flux qui tourne dans le sens défini par la règle du tire-bouchon de Maxwell). Ce flux coupe le plan galactique des deux côtés de cet axe l'axe avec deux directions opposées (haut et bas pour un plan supposé horizontal). Il génère donc pour cette masse des "forces de Lorentz" qui s'annulent, c'est à dire aucune force. Peut-il générer des forces pour les AUTRES masses situées dans le même plan ? Oui : dans le sens centripète (selon la règle des 3 doigts) pour les masses plus proches du centre de la galaxie, et dans un sens centrifuge pour celles qui sont plus éloignées du centre de rotation. On voit alors que, en découpant le k0 global en N k0 définis pour N couches concentriques du disque galactique en rotation, le résultat global n'est pas évident. Si tous les k0 ont la même intensité, le k0 global est nul, (encore qu'il faille regarder ce qui se passe en périphérie : le rayon de la galaxie n'est pas infini); S'ils ont par exemple une intensité qui croit avec le rayon, l'effet résultant est me semble-t-il de plus en plus centrifuge quand R augmente. Il est de plus en plus centripète si l'intensité décroit quand R augmente. Dans tous les cas, l'effet résultant est bien plus faible que s'il n'existait pas ces compensations.

Popaul a dit…

@Yves pour votre idée du gravitomagnétisme généré par le champ de l'univers observable

C'est séduisant d'imaginer un rôle de la rotation des galaxies pour expliquer un effet DM spécifique aux galaxies. Mais un premier problème est que toutes ne sont pas en rotation, tout en présentant un effet DM.

L'effet d'un champ gravitomagnétique externe à une galaxie en rotation produit sur ses masses en mouvement, comme en électromagnétisme, une accélération qui peut être centrifuge ou centripète selon le sens de ce champ par rapport au sens de rotation de la galaxie. Ce qui dépend donc de la position spatiale de la source de ce champ par rapport à la galaxie en rotation, qui définit la direction du champ k0 relativement à la galaxie. Si on supposait que la source du k0 est l'univers
observable sans plus de précision, alors cette source du k0 entoure symétriquement la galaxie en rotation de sorte que le champ arrive de l'univers lointain dans tous les sens et avec la même intensité. Tout s'annule donc par symétrie sphérique : il produit en chaque point de la galaxie autant de force centrifuge que de force centripète. On peut le dire autrement : il n'y a par symétrie sphérique aucun champ ou gradient de potentiel gravitique k0 issu de l'univers observable qui traverse la galaxie.

Votre propos est bien différent. Je vois qu'à l'époque (3 mai 2015 à 07:44) vous aviez déjà émis cette idée de la production du k0 par l'univers observable qui entoure la galaxie en rotation. Je n'avais pas bien prêté attention à ton idée selon laquelle seule la rotation relative galaxie/univers pourrait importer. Mais cette idée n'a rien d'évident. Vous nous dites que dans ce schéma, le k0 serait généré par cette rotation relative, de sorte que le sens du k0 serait par définition toujours lié au sens de rotation. Le problème est qu'avec cette idée de rotation relative vous utilisez deux fois la rotation, une fois en tant que relative pour imaginer que l'univers observable crée le k0, et une deuxième fois en tant qu'absolue pour dire que ce k0 s'exerce sur une galaxie en rotation. C'est aussi le sens de la remarque de Dr Eric.
Pour générer une force gravitomagnétique, le champ k0 doit, comme en électromagnétisme, être un champ PRÉEXISTANT au mouvement auquel on l'applique et non pas être généré par le même mouvement de la même masse. Comme en EM, il faut en entrée du problème deux éléments exogènes : une rotation des masses et un champ gravitique (alias magnétique) perpendiculaire à cette rotation pour créer la force GM recherchée,équivalente à la force de Lorentz en EM. La rotation relative d'une masse ne va pas créer à elle-seule à la fois k0 et la force gravitomagnétique centripète sur elle-même, de même qu'en électromagnétisme le mouvement d'une charge ne peut pas à lui seul générer pour cette charge une force GM équivalente à la force de Lorentz.

Popaul a dit…

@Dr Eric
Pouvez-vous supprimer ce dernier commentaire (@Yves, suite) où j'ai encore fait au moins deux erreurs : (1) pour qu'une translation de la galaxie génère un k0 gravitique perpendiculaire à son disque en rotation, il faut un mouvement de translation (ou une composante) parallèle au disque et donc perpendiculaire à son axe de rotation
(2) ce k0 serait un flux circulaire autour de chaque masse, on retrouve le problème évoqué dans mon commentaire du 27 09 2016 à 21:44 sur votre hypothèse du k1 généré par le mouvement de rotation la galaxie.

John Smith a dit…

Et le Dragonfly 44?
Où se situe-t-elle
dans la diagramme?

Merci beaucoup pour le podcast et le blog!

Dr Eric SIMON a dit…

Dragonfly 44 est une galaxie ultra-diffuse, ce n'est pas une galaxie spirale, qui sont les seules concernées dans cette étude et qui apparaissent dans le diagramme...

Stéphane Le Corre a dit…

Bonjour,
Pour ceux que cela intéresse, j'ai mis en ligne un court papier qui montre en quoi les résultats de l'article dont il est question ici ("The Radial Acceleration Relation in Rotationally Supported Galaxies" de Stacy S. McGaugh,Federico Lelli, James M. Schombert)
sont en parfait accord avec la solution que je propose. Ce papier se trouve sur les archives ouvertes du CNRS: https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01375966

Stéphane Le Corre a dit…

Merci à Eric qui a trouvé une coquille dans mon texte. Partout où il y a 15Mpc, il faut lire 15kpc. Encore merci pour cette lecture attentive Eric.