Titre: Wide Binaries de GAIA EDR3 : préférence pour GR plutôt que MOND ?
Auteurs: Charalambos Pittordis, Will Sutherland
Institution du premier auteur : École des sciences physiques et chimiques, Université Queen Mary de Londres
Statut: Soumis à Open Journal of Astrophysics ; impression électronique arXiv [open access]
L’un des plus grands mystères de l’astrophysique et de la cosmologie aujourd’hui est matière noire; une forme hypothétique de matière complètement invisible à la lumière (ou à toute forme de rayonnement électromagnétique d’ailleurs), d’où son nom. On pense que la matière noire existe parce que les observations de structures massives dans l’univers (les galaxies en particulier) montrent qu’elles se forment, tournent, bougent et évoluent comme si elles contenaient beaucoup plus de masse que ce qui est visible via la lumière que nous recevons d’elles. En particulier, ils suggèrent qu’environ 85% de la matière de l’univers est de la matière noire. Ce type de sujet serait complètement différent de la matière ordinaire, peut-être constitué de nouvelles particules élémentaires non découvertes.
Alors que la majorité de la communauté astronomique accepte la matière noire comme la meilleure solution à ces observations de l’univers, le manque de preuves directes de la matière noire ou d’une particule candidate indiscutable laisse place à d’autres explications qui n’impliquent pas de nouveaux types de matière. Par exemple, l’une des explications les plus populaires de la non-matière noire plaide pour la modification de notre compréhension de la gravité newtonienne aux échelles d’accélération extrêmement petites qui se font sentir pendant la rotation galactique. Cela s’apparenterait à la façon dont notre compréhension de la physique à de petites échelles de mesure a été modifiée par le développement de la physique quantique. Une telle théorie est souvent connue sous le nom de ‘Modified Newtonian Dynamics’ – ou MOND. MOND est actuellement une hypothèse moins acceptée que la matière noire, cependant, comme il y a de nombreuses observations que MOND ne peut pas expliquer aussi bien que la matière noire, ainsi que d’autres problèmes en suspens.
L’article d’aujourd’hui propose que les observations de étoiles binaires larges par le satellite GAIA pourrait permettre un test qui différencie la matière noire des prédictions MOND.
Étoiles jumelles, théories jumelles
Les auteurs de cet article postulent que de larges systèmes stellaires binaires avec des séparations supérieures à 7000 UA entre les étoiles auraient des accélérations orbitales suffisamment faibles pour tomber en dessous de la limite à laquelle les effets MOND seraient perceptibles, tandis que le système reste également suffisamment petit pour qu’il n’y ait pas de contenu significatif de matière noire entre les étoiles. Ainsi, les vitesses des orbites des étoiles pourraient être classiquement calculées avec une simple dynamique képlérienne et comparées aux prédictions données par les modèles de gravité modifiés.
La précision du satellite GAIA et sa dernière version de données DR3 pourraient permettre des observations suffisamment précises pour distinguer les effets MOND. Alors que les binaires larges orbitent suffisamment lentement pour qu’aucun système individuel ne puisse être parfaitement modélisé, un échantillon statistiquement important des vitesses relatives des étoiles binaires larges peut être comparé aux résultats des simulations (en supposant que les binaires ont des phases et inclinaisons).
Pour ce faire, les auteurs ont sélectionné de larges binaires à partir de la première publication de données de GAIA EDR3 à moins de 300 pc du système solaire (car la version complète de DR3 n’était pas encore sortie au moment de la rédaction de cet article), ainsi que des coupes de qualité supplémentaires, dans afin d’obtenir des données à partir d’observations bien contraintes de larges binaires dont les vitesses relatives pourraient être mesurées avec précision. Les distributions de vitesse de ces étoiles sélectionnées sont présentées sur la figure 1. À première vue, la grande majorité des étoiles semblent se situer dans les limites des vitesses newtoniennes, mais à des échelles plus grandes de séparation orbitale, de plus en plus d’étoiles dépassent cette limite. Cela pourrait être dû à une contamination par d’éventuelles systèmes triple étoile et survols stellaires, mauvaises contraintes ou autres effets… comme MOND.
Avec les binaires sélectionnés, les auteurs ont ensuite effectué des simulations d’environ cinq millions d’orbites binaires larges, avec des valeurs aléatoires de demi-grand axe et excentricité orbitalesous la gravité newtonienne et un modèle de gravité modifié particulier, et ont comparé leurs résultats aux observations.
UN MONDE de preuves ?
Une fois pris en compte les systèmes à trois étoiles et les survols stellaires, tests du chi carré ont montré de manière concluante que quelle que soit la distribution d’excentricité utilisée, les modèles de gravité newtoniens montraient de meilleurs ajustements aux données d’observation que le modèle MOND qui a été testé. En particulier, le modèle MOND a prédit que des binaires beaucoup plus larges auraient des vitesses mesurées entre 1 et 1,5 fois les vitesses newtoniennes, ce que les données n’ont pas montré, comme on peut le voir sur la figure 2.
Les auteurs notent que ces résultats pourraient être affectés par une modélisation incorrecte de ces systèmes triples et des survols, ou par le fait que la population binaire large réelle peut ne pas être aléatoire et non corrélée dans les masses stellaires, les inclinaisons et les excentricités comme l’étaient leurs simulations. Cependant, malgré ces mises en garde, les ajustements de données obligent les auteurs à conclure provisoirement que les observations montrent une nette préférence pour le modèle newtonien par rapport au modèle MOND testé, à un degré élevé de signification formelle.
Les auteurs expriment également de grands espoirs pour le développement futur de ce type de test. Avec les publications ultérieures de données GAIA, des tailles d’échantillons d’observation plus importantes et des modèles et simulations mieux contraints, les observations de binaires larges et de leurs orbites pourraient être des perspectives très intéressantes pour tester de manière décisive des modèles de gravité modifiée. En tant que tels, ils prévoient d’étendre ces possibilités dans les travaux futurs.
Astrobite édité par Roel Lefever
Crédit image en vedette : Agence spatiale européenne
À propos d’Aldo Panfichi
Bonjour! Je suis actuellement étudiant en 2e année de maîtrise en physique à la Pontificia Universidad Católica del Peru à Lima, au Pérou, où je travaillerai sur un projet de thèse lié aux astéroïdes. J’ai précédemment obtenu mon BSc en astronomie et astrophysique à l’Université de Chicago. Pendant mon temps libre, j’aime passer du temps avec mes amis (et mes chiens !), faire des promenades en été et me blottir à l’intérieur en hiver, jouer à des jeux ou lire de la science-fiction.
