Théorie MOND 619125 31031670 2008-06-26T13:47:28Z A2 114436 /* Bibliographie */ {{ébauche|astrophysique|cosmologie}} La '''théorie MOND''' (pour l'[[anglais]] ''Modified newtonian dynamics'', « dynamique [[Isaac Newton|newtonienne]] modifiée ») est une adaptation de la [[mécanique classique]] proposée pour expliquer le problème de la courbe de rotation plate des galaxies spirales. Elle constitue une alternative au concept de [[matière noire]], dont l'existence n'a toujours pas pu être mise en évidence. Il a été calculé que si la [[matière noire]] existait, environ 22% <ref>{{en}} « [http://map.gsfc.nasa.gov/m_mm/mr_limits.html ''Some Theories Win, Some Lose''] », [[NASA]] [[WMAP]].</ref> à 27% <ref>{{fr}} « [http://wwwlapp.in2p3.fr/~taillet/dossier_matiere_noire/matiere_noire3b_omega_m.php ''La densité moyenne de matière''] », Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de physique des particules, [[Institut national de physique nucléaire et de physique des particules|IN2P3]].</ref> de l'[[Univers]] en serait constitué. La théorie MOND repose sur une modification de la [[Lois du mouvement de Newton|seconde loi de Newton]] aux [[accélération]]s très faibles. Elle est généralisée dans le cadre d'une théorie relativiste, la [[théorie tenseur-scalaire]]. == Le problème de la gravitation == {{Article détaillé|Matière noire}} En 1932, l'astrophysicien [[États-Unis|américain]] [[Fritz Zwicky]] constate que dans les grands [[amas de galaxies]] la vitesse de ces dernières comparée aux modèles théoriques révèle un écart très important. En effet, à ces vitesses, la masse de la galaxie (que l'on déduit de la luminosité de celle-ci) ne suffirait pas à les maintenir : elles devraient s'éloigner. Il proposa alors que cet écart était lié à la présence d'une source de [[gravitation]] non visible, c'est-à-dire autre que [[étoile|stellaire]]. Néanmoins, ses calculs pour déterminer la proportion de cette « [[matière noire]] » ont montré qu'elle était bien plus représentée que la masse visible. [[Image:GalacticRotation2.svg|355px|left|thumb|La courbe de rotation prévue par les équations de Newton (A) et la courbe observée (B) , en fonction de la distance au centre de la galaxie.]] À partir de [[1978]], on commence à observer le phénomène à une échelle plus petite. On remarque que dans les galaxies, plus les étoiles sont éloignées du [[noyau galactique]], plus leur [[vitesse angulaire]] est élevée. L'observation initiale de cette uniformité de la vitesse fut inattendue car la [[Lois du mouvement de Newton|théorie de la gravité de Newton]] prédisait que les objets plus éloignés ont une vitesse moindre. Par exemple, les planètes de notre [[système solaire]] orbitent avec une vitesse respective qui décroît alors que leur distance respective croît par rapport au [[Soleil]]. On se retrouve avec le même problème : comment expliquer qu'à un point donné la mesure soit supérieure à la valeur théorique ? <!-- La théorie de Newton (et donc celles de la [[relativité]] puisque la théorie de Newton en est une forme simplifiée) nous dit que la seule force qui maintient un système dynamique est la [[gravité]]. Si la vitesse augmente, la gravité augmente également. --> De même, la vitesse que peuvent maintenir les objets soumis à la gravitation doit correspondre, d'après la théorie de Newton, à la force exercée par elle, c'est-à-dire de la masse présente. On observe pourtant que les [[galaxie]]s sont plus lumineuses au centre qu'en bordure : la théorie de Newton n'est vérifiée que s'il existe une masse supplémentaire : la [[matière noire]] revint de nouveau faire parler d'elle. On peut toutefois « observer » la [[matière noire]] : l'effet de [[lentille gravitationnelle]] — non expliqué par la théorie MOND — permet de déduire la [[masse]] d'après les équations de la [[relativité générale]] : on se rend ainsi compte que la masse observée ne correspond pas à la masse prédite. Une interprétation équivalente, utilisée par la généralisation de la théorie MOND, appelée [[théorie tenseur-scalaire]] (TeVeS), est qu'en réalité c'est le champ de [[gravitation]] qui est modifié. Ces deux approches ne peuvent pas être départagées par les observations actuelles, si on admet l'existence d'[[énergie sombre]] et d'une certaine forme de [[matière noire]] dans la théorie MOND/TeVeS.<ref>{{en}} « [http://arxiv.org/abs/astro-ph/0609125 ''On the Proof of Dark Matter, the Law of Gravity and the Mass of Neutrinos''] », Université de St. Andrews, NAOC Beijing, Université Libre de Bruxelles (2006).</ref> {{clr}} == La naissance de la théorie MOND == En [[1983]], le physicien et professeur [[Israël|israélien]] [[Mordehai Milgrom]] propose une petite modification de la théorie de Newton. Il montre que cela permet de résoudre le problème de la rotation trop rapide des étoiles et des galaxies : il baptise sa théorie « MOND » (''Modified Newton Dynamics'', ou « dynamique de Newton modifiée »). Cependant, cette approche fut au départ entièrement empirique. De plus il est apparu récemment qu'elle était en contradiction avec certaines observations astronomiques. En particulier, contrairement à la théorie de la [[matière noire]], elle n'expliquait pas l'aspect de l'[[amas du boulet]]. Cela fut résolu en admettant dans la théorie MOND l'existence d'une certaine quantité de [[matière noire]] sous forme de neutrinos. En [[2004]], la ''Physical Review'' du mois d'octobre publie les travaux d'un autre chercheur israélien, [[Jacob Bekenstein]]. Celui-ci a montré que la théorie MOND était en accord avec le [[principe de relativité]], tout comme la théorie de Newton : ce sont donc deux solutions possibles aux énergies et aux champs faibles de la gravité. En mai [[2005]], une équipe de l'[[université d'Oxford]], dirigée par [[Constantinos Skordis]], a calculé les effets de la gravité sur de petites condensations produites 300 000 ans après le [[Big Bang]] en utilisant la description de la théorie MOND. Leur simulation évoque le [[fond diffus cosmologique]], observé par le [[Satellite artificiel|satellite]] [[Wilkinson Microwave Anisotropy Probe|WMAP]]. == La théorie MOND et la matière noire == WMAP a pu mesurer avec une grande précision les [[anisotropie]]s du [[fond diffus cosmologique]]. Ces mesures sont en accord avec l'existence de la matière noire. Mais des travaux publiés en 2007 par Zlosnik et ses collaborateurs ont montré qu'il était possible de produire des modèles au sein de la théorie de Bekenstein qui soient en aussi bon accord. Si une seule particule de matière noire est directement détectée, la théorie MOND est invalidée. Les physiciens s'activent actuellement à déceler les effets prédits par cette théorie dans le système solaire. La décélération anormale de la sonde [[Anomalie Pioneer|Pioneer]], dont on ignore encore les causes, pourrait en être un. Le verdict entre MOND et matière noire pourrait provenir d'une mesure parfaitement fiable de cet effet, ce qui necessiterait sans doute une mission spatiale dédiée à cette mesure. == La théorie MOND == === Principes de la modification === La clef de voûte de cette théorie est que la [[Lois du mouvement de Newton#Seconde loi de Newton ou principe fondamental de la dynamique de translation|deuxième loi de Newton]] sur la force de gravitation n'a été vérifiée qu'à des accélérations élevées. La seconde loi s'énonce ainsi : :<math>\mathbf F = m \frac{\mathrm d^2\mathbf r}{\mathrm dt^2} = m \mathbf a</math> où '''F''' est la [[force (physique)|force]], ''m'' la [[masse]] et '''r''' la position (ou '''a''' l'[[accélération]]). Si la force en question est la force de [[gravitation]], alors l'accélération d'un objet soumis à l'attraction d'un corps est donnée par la formule : :<math>\mathbf a = G\frac{M}{r^2}</math> avec ''G'' la constante de gravitation, ''M'' la [[masse]] du corps qui attire et ''r'' la distance entre ce corps et l'objet que l'on considère. Dans la théorie de Newton, la force d'attraction entre deux corps décroît comme le carré de leur distance. Dans la théorie MOND, cela n'est vrai que jusqu'à un certain seuil : au delà, elle décroît comme l'inverse de leur distance. Cela permet de décrire la courbe de rotation des étoiles (ou des galaxies). === Description mathématique === En 1983, [[Mordehai Milgrom]], physicien à l'[[Institut Weizmann]] en Israel, a publié deux papiers dans ''[[Astrophysical Journal]]'' proposant une modification du [[lois du mouvement de Newton|principe fondamental de la dynamique]] de Newton. Initialement, cette loi énonce que pour tout objet de masse inertielle ''m'', soumis à une force <math> \vec F </math>, a une accélération <math> \vec a </math> vérifiant <math> \vec F = m \vec a </math>. Cette loi est bien connue, et a toujours été confirmée dans toutes les expériences de physique classique. Toutefois, elle n'a jamais été expérimentée dans des situations où l'accélération est extrêmement faible, ce qui est le cas à l'échelle galactique : les distances y sont si grandes que l'attraction gravitationnelle est minuscule. ==== Modification de la loi de Newton ==== La modification proposée par Milgrom est la suivante : au lieu de <math> \vec F = m \vec a </math>, il postule que l'on a : :<math> \vec F = m. \mu \!\left(\frac{a}{a_0}\right).\vec a </math>, avec <math>a = | \vec a |~~</math> et ::<math> \mu (x) = 1 \mbox{ si } x\gg 1 </math> ::<math> \mu (x) = x \mbox{ si } |x|\ll 1 </math> Le terme ''a<sub>0</sub>'' étant supposé être une nouvelle constante de la physique ayant la dimension d'une accélération. La définition exacte de ''µ'' n'est pas spécifiée, seul est précisé son comportement pour les valeurs extrêmes de ''x''. D'ailleurs, Milgrom a démontré que la formule de ''µ'' ne change pas les principales conséquences de sa théorie, tel l'aplatissement de la courbe de la vitesse de rotation des bords des galaxies. ==== Limite classique ==== En vertu du [[correspondance (principe)|principe de correspondance]], on doit retrouver la physique de Newton que l'on observe couramment, dans les conditions où elle semble vraie. Dans la physique habituelle, ''a'' est beaucoup plus grand que ''a<sub>0</sub>'', ainsi <math> \mu \left( \frac{a}{a_0} \right)= 1 </math> et donc <math>\ \vec F = m. \vec a </math>. Par conséquent, la modification du principe fondamental de la dynamique est négligeable et Newton aurait pu ne pas s'en apercevoir. ==== Force à faible champ ==== *Dans le cas d'un objet sur le bord d'un disque galactique, l'accélération ''a'' est beaucoup plus petite que la constante ''a<sub>0</sub>'' car la force gravitationnelle est très faible, donc <math> \mu \left( \frac{a}{a_0} \right)= \frac{a}{a_0}</math> et <math>F = m. \frac{a^2}{a_0} </math> : la force gravitationnelle est toujours la même que dans la théorie newtonienne, mais l'accélération <math>\ a </math> est nettement modifiée. Loin du centre de la galaxie, la force gravitationnelle subie par une étoile est, avec une bonne approximation : :<math>F = \frac{GMm}{r^2} </math> où ''G'' est la [[constante gravitationnelle]], ''M'' la masse de la galaxie, ''m'' la masse de l'étoile et ''r'' la distance entre le centre de la galaxie et l'étoile. Avec la nouvelle loi de la dynamique, nous avons : :<math> F = \frac{GMm}{r^2} = m \mu{ \left( \frac{a}{a_0}\right)} a </math> d'où : <math> \frac{GM}{r^2} = \mu{ \left( \frac{a}{a_0}\right)} a </math> Comme la distance ''r'' est très grande, ''a'' est beaucoup plus petit que ''a<sub>0</sub>'' et donc <math> \mu{ \left( \frac{a}{a_0}\right)} = \frac{a}{a_0} </math>, ce qui donne : :<math> \frac{GM}{r^2} = \frac{a^2}{a_0} </math>, et ainsi : <math> a = \frac{\sqrt{ G M a_0 }}{r} </math> Comme l'équation donnant l'[[accélération centrifuge]] sur une orbite circulaire est <math> a = \frac{v^2}{r} </math> on a : :<math> a = \frac{v^2}{r} = \frac{\sqrt{ G M a_0 }}{r} </math> d'où la vitesse tangentielle de la rotation : <math> v = \sqrt[4]{ G M a_0 } </math> Ainsi, la vitesse de rotation des étoiles au bord d'une galaxie est constante, et ne dépend pas de la distance ''r'' : la courbe de la vitesse de rotation est plate. Comme la théorie MOND a été créée pour résoudre le problème de l'aplatissement de la courbe de la vitesse de rotation, il n'y a pas à être surpris à constater qu'elle concorde avec les observations de ce phénomène. À partir des observations astrophysiques, Milgrom a déduit une valeur de sa constante : :''a<sub>0</sub>''=1,2×10<sup>−10</sup>&nbsp;ms<sup>−2</sup> Il a remarqué que cette valeur est aussi : {{Référence nécessaire|« ... l'accélération dont on aurait besoin, en partant de la vitesse nulle au temps zéro de l'univers, pour arriver à la vitesse de la lumière au temps présent. »}} == Voir aussi == === Bibliographie === * Ciel & Espace n°439 (décembre 2006), pages 46-56. * Science & Vie, ''Et si la matière noire n’existait pas…'', n°1090, juillet 2008, p. 74-79. === Notes et références === <references/> === Liens externes === * {{fr}} [http://cieletespaceradio.fr/index.php/2006/12/21/36-mond MOND], Ciel & Espace radio, [[Jean-Marc Bonnet-Bidaud]] ; * {{fr}} [http://wwwlapp.in2p3.fr/~taillet/dossier_matiere_noire/matiere_noire4_mond.php Matière Noire - Modification de la Dynamique Newtonienne : MOND] ; * {{en}} [http://arxiv.org/find/physics,astro-ph/1/abs:%2Bmond/0/1/0/all/0/1 arXiv.org] : les articles originaux sur la théorie MOND ; * {{en}} [http://www.americanscientist.org/template/AssetDetail/assetid/16363 Hérétique à la Matière Noire - Modifier la loi de Newton pour résoudre un des casse-têtes de l'astrophysique]. {{Portail|astronomie|cosmologie}} [[Catégorie:Astrophysique]] [[Catégorie:Théorie de la gravitation|MOND]] [[de:Modifizierte Newtonsche Dynamik]] [[en:Modified Newtonian dynamics]] [[es:Dinámica newtoniana modificada]] [[fi:Modifioitu newtonilainen dynamiikka]] [[he:דינמיקה ניוטונית מתוקנת]] [[it:Teorie MOND]] [[ja:修正ニュートン力学]] [[pl:Zmodyfikowana dynamika Newtonowska]] [[sv:MOND]]