Depuis trois quarts de siècle, le problème de la matière sombre est assurément le mystère le plus ténébreux de l'astronomie. Sous l'effet de la gravitation, les étoiles et le gaz se sont assemblés dans l'Univers en milliards de structures similaires à notre Voie Lactée, appelées les galaxies (elles-mêmes composées de centaines de milliards d'étoiles), et la force qui y retient les étoiles devrait donc être uniquement la gravité engendrée par les étoiles et le gaz qui les composent. Pourtant, ce n'est apparemment pas le cas. En effet, les étoiles se déplacent trop vite et devraient donc s'échapper des galaxies comme les fusées s'échappent de la Terre. Il faudrait plus de force pour les y retenir, donc plus de matière que ce qu'on observe : beaucoup plus de matière, à un point tel que 90 % de la matière qui nous entoure serait de nature totalement inconnue ! À moins que ce ne soit la loi de la gravitation telle que formulée par Newton puis Einstein qui doive être révisée de manière à engendrer une plus grande force à l'échelle galactique.

Crise profonde

La première solution, c'est à dire l'ajout ad hoc de matière sombre dans les modèles de galaxies est celle qui a été retenue par la majorité des astronomes. Cependant, depuis plusieurs années, différents super-ordinateurs de par le monde étudient comment cette matière sombre devrait se distribuer dans les galaxies, et le verdict semble aujourd'hui sans appel : la concentration de masse sombre prédite au centre des galaxies est beaucoup trop élevée et en total désaccord avec les observations ! Le paradigme de la matière sombre traverse donc une profonde crise.

L'hypothèse de Milgrom

La deuxième solution, celle d'une modification de la gravitation à l'échelle galactique, a été proposée par le physicien israélien Milgrom, il y a une vingtaine d'années. Une telle modification ne serait pas sans précédent puisque deux révisions radicales de la physique ont déjà été apportées par Einstein pour décrire des conditions extrêmes telles que les vitesses proches de celle de la lumière (la relativité restreinte) et les densités de masse extrêmement élevées (la relativité générale). Dans le cas des galaxies, la condition extrême serait l'accélération excessivement faible des étoiles, due a la concentration extrêmement faible de la matière dans les galaxies : Milgrom fit l'hypothèse que lorsque l'accélération gravitationnelle devient cent milliards de fois plus faible que sur Terre, la gravitation devient inversement proportionnelle à la distance plutôt qu'au carré de la distance comme enseigné dans les manuels scolaires. Ce n'est cependant que l'an passé que le physicien Bekenstein proposa une telle extension de la relativité générale.

Les théories s'affrontent dans la galaxie

C'est cette nouvelle théorie que Hongsheng Zhao de St Andrews et moi-même avons examinée en détails. Et plus particulièrement les contraintes sur la transition entre le régime des fortes accélérations - où les théories habituelles s'appliquent - et celui des faibles accélérations. Il y a une grande liberté théorique sur la manière dont la transition pourrait se produire, car la théorie de Bekenstein ne repose sur aucun principe physique fondamental, ce qui est évidemment son plus gros point faible. En nous basant sur les observations du mouvement des étoiles dans les galaxies, nous avons montré qu'il existait en fait d'importantes contraintes sur cette possible transition entre les deux régimes d'accélération.

Cependant, ces contraintes laissent le champ libre à certaines transitions, et ne permettent donc aucunement d'exclure la nouvelle théorie qui garde donc toute sa pertinence. Il est cependant fort possible que ni le paradigme de la gravitation modifiée tel que formulé aujourd'hui, ni celui de la matière sombre ne réussiront isolément à résoudre tous les problèmes de dynamique galactique ou de cosmologie. Il n'est donc pas impossible que la vérité soit entre les deux, mais il est plus que probable que quelque chose de fondamental nous échappe à propos de la gravitation - même au niveau macroscopique - et qu'une approche théorique radicalement neuve de cette force soit nécessaire pour sortir de la crise actuelle. La gravitation, bien qu'étant la première force à avoir trouvé sa place dans notre conception de la physique, est donc encore pour un certain temps une force obscure, aux secrets bien difficiles à percer.

Benoît Famaey
ULB, Institut d'astronomie et d'astrophysique