Les lois de la gravitation de Newton sont-elles fausses ? Les mystères de l’observation des chercheurs

La découverte ne peut pas être expliquée par des hypothèses classiques.

Une équipe internationale d’astrophysiciens a fait une découverte surprenante en analysant certains amas d’étoiles. Cette découverte défie les lois de la gravitation de Newton, écrivent les chercheurs dans leur publication. Au lieu de cela, les observations sont cohérentes avec les prédictions d’une théorie alternative de la gravité. Cependant, cela est controversé parmi les experts. Les résultats ont été publiés dans les Monthly Notices de la Royal Astronomical Society. L’Université de Bonn a joué un rôle majeur dans l’étude.

Dans leurs travaux, les chercheurs ont étudié les amas d’étoiles dits ouverts, des groupes non connectés de quelques dizaines à quelques centaines d’étoiles trouvées dans des galaxies spirales et irrégulières. Les amas ouverts se forment lorsque des milliers d’étoiles naissent en peu de temps dans un énorme nuage de gaz. Lorsqu’il « s’enflamme », les nouveaux venus de la galaxie soufflent sur les restes d’un nuage de gaz. Dans le processus, la masse se dilate considérablement. Cela crée une formation lâche de plusieurs dizaines à plusieurs milliers d’étoiles. La masse est maintenue par les forces gravitationnelles faibles qui agissent entre elles.

« Dans la plupart des cas, les amas d’étoiles ouverts ne vivent que quelques centaines de millions d’années avant de fondre », explique le professeur Dr. Pavel Krupa de l’Institut Helmholtz pour le rayonnement et la physique nucléaire de l’Université de Bonn. Dans le processus, les étoiles sont régulièrement perdues, qui s’accumulent dans les soi-disant « queues de marée ». L’une de ces queues est tirée derrière le bloc lors de son voyage dans l’espace. A son tour, l’autre prend la tête comme un fer de lance.

Prof. Dr. Pavel Krupa du Helmholtz Institute for Radiation and Nuclear Physics de l’Université de Bonn. Crédit : Volker Lanert/Université de Bonn

« Selon les lois de la gravitation de Newton, c’est une question de chance de savoir laquelle des queues se retrouvera dans l’étoile manquante », explique le Dr Jan Pvalam-Altenberg de l’Institut Helmholtz de physique nucléaire et de rayonnement. « Ainsi, les deux extrémités devraient contenir approximativement le même nombre d’étoiles. Cependant, dans notre travail, nous avons pu pour la première fois prouver que ce n’est pas vrai : dans les groupes que nous avons étudiés, la queue avant contient toujours plus d’étoiles proches de la masse. que la queue arrière « .

Une nouvelle méthode de calcul des étoiles a été développée

Parmi les millions d’étoiles proches de la masse, il était presque impossible de déterminer lesquelles appartenaient à leur queue – jusqu’à présent. « Pour ce faire, vous devez regarder la vitesse et la direction du mouvement et l’âge de chacun de ces objets », explique le Dr Teresa Yarabkova. La co-auteure de la recherche, qui a obtenu son doctorat dans le groupe Kroupa, a récemment déménagé de Agence spatiale européenne (ESA) pour l’Observatoire européen austral de Garching. Elle a développé une méthode qui lui a permis de compter avec précision les étoiles dans leur queue pour la première fois. « Jusqu’à présent, cinq grappes ouvertes ont été étudiées près de nous, dont quatre par nous », dit-elle. « Lorsque nous avons analysé toutes les données, nous avons rencontré la contradiction avec la théorie actuelle. Les données d’enquête très précises de La mission Gaia de l’Agence spatiale européenne indispensable pour cela. »

Dans l’amas d’étoiles des Hyades (en haut), le nombre d’étoiles (en noir) dans la queue de marée avant est beaucoup plus grand qu’à l’arrière. Dans une simulation informatique avec MOND (ci-dessous), une image similaire apparaît. Crédit : AG Kroupa / Uni Bonn

En revanche, les données d’observation cadrent mieux avec la théorie à court MONDE (« Modified Newtonian Dynamics ») parmi les experts. « En termes simples, selon MOND, les stars peuvent quitter un groupe par deux portes différentes », explique Kroupa. « L’un mène à la marée arrière de la queue, l’autre à l’avant. Cependant, le premier est beaucoup plus étroit que le second – il est donc peu probable que l’étoile laisse de la masse à travers. D’un autre côté, la théorie gravitationnelle de Newton prédit que les deux les portes doivent avoir la même largeur « .

Les amas d’étoiles ont une durée de vie plus courte que ne le prédisent les lois de Newton

L’équipe d’astrophysiciens a calculé la distribution stellaire attendue selon MOND. « Les résultats sont étonnamment cohérents avec les observations », souligne le Dr Ingo Thies, qui a joué un rôle clé dans les simulations correspondantes. Cependant, nous avons dû recourir à des méthodes arithmétiques relativement simples pour ce faire. Nous manquons actuellement d’outils mathématiques pour effectuer des analyses plus détaillées de la dynamique newtonienne modifiée. » Cependant, les simulations ont également coïncidé avec des observations d’autre part : elles ont prédit combien de temps les amas d’étoiles normalement ouverts devraient rester. Cette période de temps est beaucoup plus courte que prévu selon « Ceci explique un mystère connu depuis longtemps», note Kroupa. « Plus précisément, les amas d’étoiles dans les galaxies proches semblent disparaître plus rapidement qu’ils ne le devraient. »

Cependant, la théorie MOND n’est pas incontestée parmi les experts. Étant donné que les lois de la gravitation de Newton ne seraient pas valides dans certaines conditions, mais devraient être modifiées, cela aurait également des conséquences considérables pour d’autres domaines de la physique. « Encore une fois, cela résout de nombreux problèmes auxquels la cosmologie est confrontée aujourd’hui », explique Kroupa, qui est également membre des domaines de recherche interdisciplinaires de la modélisation et de la matière à l’Université de Bonn. Les astrophysiciens explorent maintenant de nouvelles méthodes mathématiques pour des simulations plus précises. Ils peuvent ensuite être utilisés pour trouver plus de preuves quant à savoir si le théorème MOND est vrai ou non.

Référence : « Asymmetrical Tidal Tails of Open Star Clusters : Stars Crossing their Brah Cluster Defy Newtonian Gravity » par Pavel Karpa, Teresa Yarabkova, Ingo Theis, Jan Pvalam-Altenberg, Benoit Famy, Henry MJ Boffin, Jörg Dabringhausen, Giacomo Beccari, Timo Beccari , Christian Boyle, Hossein Hajji, Zuven Wu, Jaroslav Hass, Akram Hosni Zunuzzi, Guillaume Thomas, Ladislav Uber et J Arsith Ambassador, 26 octobre 2022, Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
DOI : 10.1093/mnras/stac2563

En plus de l’Université de Bonn, l’étude comprenait l’Université Charles de Prague, l’Observatoire européen austral ([{ » attribute= » »>ESO) in Garching, the Observatoire astronomique de Strasbourg, the European Space Research and Technology Centre (ESA ESTEC) in Nordwijk, the Institute for Advanced Studies in Basic Sciences (IASBS) in Zanjan (Iran), the University of Science and Technology of China, the Universidad de La Laguna in Tenerife, and the University of Cambridge.

The study was funded by the Scholarship Program of the Czech Republic, the German Academic Exchange Service (DAAD), the French funding organization Agence nationale de la recherche (ANR), and the European Research Council ERC.