La masse négative est partout dans la physique. Cela explique aussi la matière noire

Représentation de ce à quoi ressembleraient des filaments de matière noire si nous pouvions les voir de nos yeux nus. Les taches jaunes représentent les galaxies.

Au début du mois de décembre 2018, la blogosphère des physiciens était devenue folle à cause d'un article de 2017 (encore un préimpression à ce jour: arXiv: 1712.07962) dans lequel l'auteur James Farnes, de l'Université d'Oxford, essayait d'expliquer la matière noire et l'énergie noire avec hypothèse apparemment absurde: la présence d’un fluide de masse négative qui imprègne l’Univers. L'idée elle-même n'est pas nouvelle et l'auteur reconnaît les travaux passés d'Albert Einstein, d'Hermann Bondi et d'autres. En bref, la matière de masse négative se comporte de la manière suivante:

  • Interaction positive-positive: les deux particules s’attirent;
  • Interaction négative-négative: les deux particules se repoussent;
  • Interaction positive-négative: les deux particules accélèrent dans la même direction, en partant de la masse négative vers la masse positive.

En tant que physicien des particules, je ne suis pas particulièrement convaincu par l'argument, mais je conviens qu'il peut y avoir une faille, si nous permettons à la masse d'être un paramètre efficace comme dans la physique de l'état solide, violant ainsi (au moins apparemment) l'équivalence chérie principe. Cela signifie que la masse qui entre dans l’équation qui régit le comportement de gravitation de ce fluide n’est pas strictement équivalente à la masse inertielle (celle qui apparaît dans la glorieuse loi des mouvements de Newton telle que F = ma). Je crois comprendre que des agrégats de matière ordinaire peuvent présenter un tel comportement dans des circonstances inhabituelles, souvent associées à une température très basse. Par exemple, même les électrons peuvent présenter une masse effective dans le régime de supraconductivité (H. Frölich, Nature, volume 168, pages 280–281). Selon certaines indications, une masse effective négative résultant d'un potentiel périodique dans les réseaux pourrait expliquer un certain nombre de propriétés étranges des supraconducteurs à haute température (cond-mat / 0210455).

Le papier de Farnes va bien au-delà des spéculations de base. L’auteur affirme pouvoir expliquer l’aplatissement des courbes de rotation des galaxies, la formation de halos galactiques de matière noire, les grandes formations telles que les filaments de matières noires reliant les galaxies et même le destin ultime de l’Univers (spoiler: elle se dilaterait et se contracterait ). Je ne suis pas astrophysicien et je préfère laisser aux experts le soin de faire des commentaires significatifs sur ces affirmations. Certains ont dit que le modèle est tellement élaboré que l’on peut invoquer le rasoir d’Occam et continuer à utiliser le modèle cosmologique de ologyCMD. Personnellement, certains des arguments présentés dans le document me semblaient plutôt vagues, par exemple l'explication de la planéité de l'espace et la position du premier sommet du spectre de puissance du CMB (voir Section 4.4). D'autre part, j'ai trouvé très stimulants les arguments en faveur d'une révision de l'interprétation de certaines mesures critiques, telles que l'extension de l'Univers avec des explosions de Supernovae. Alors que les mesures elles-mêmes tiennent pour acquis, ce qui peut être incorrect est l'ensemble des hypothèses qui ont conduit aux interprétations finales. Plus particulièrement, la positivité de la densité d'énergie massique est presque toujours appliquée même si, dans certains cas, les expériences elles-mêmes semblent préférer le contraire (voir la section 4.1 pour plus de détails). Dans une perspective bayésienne, je ne peux que vous avertir que la plupart de nos erreurs sont causées par des hypothèses incorrectes: c’est toujours le précédent!

Quoi qu’il en soit, j’ai trouvé le modèle assez simple pour être implémenté dans un code informatique pouvant être exécuté sur un ordinateur portable. Dans l'article, vous pouvez trouver une référence à une implémentation plus appropriée, tandis que la mienne ressemble plus à une animation qu'à une simulation réaliste. Le code est basé sur une simulation précédente de la matière noire que j'ai créée il y a quelques années. Vous pouvez en savoir plus sur ce modèle dans ce post. Le nouveau code adapté peut être trouvé ici. Pour l'exécuter, vous devez installer Processing et la bibliothèque de physique Traer. Dans mon implémentation, contrairement à James Farnes, je crée toute la matière avec une masse positive, mais assigne un couplage négatif (-G) aux interactions entre objets négatifs-négatifs.

Je diffuse de manière aléatoire les particules de masse négative avec une distribution uniforme. Au lieu de cela, la matière ordinaire est placée dans deux "touffes" qui représentent environ deux galaxies. Que penses-tu qu'il va se passer? La simulation à N corps se déroule sans objectif explicite à long terme. Au moins intuitivement, il se produit que la matière régulière essaie de se regrouper encore plus, tandis que la matière négative tend à s’étendre. Cependant, une dynamique intéressante se produit à proximité de gros amas de matière régulière: les particules négatives sont attirées par les «galaxies», mais ne se concentrent pas trop en raison de leur propre répulsion. L’effet net, selon le journal Farnes, est la création d’un «halo» autour des galaxies et de «filaments» les reliant. Pouvez-vous repérer ces choses dans la vidéo? Ou est-ce juste un voeu pieux?

Pour conclure, une nouvelle vie a été donnée à l’idée ancienne et relativement peu tendance de la matière de masse négative afin d’expliquer certains des plus grands mystères de l’Univers: matière noire, énergie noire et la dynamique générale des formations à l’échelle cosmologique. Si des réclamations extraordinaires nécessitent des preuves extraordinaires, je ne pense pas qu’une telle preuve ait été présentée hors de tout doute raisonnable. Cependant, il se peut que ce ne soit ni la première ni la dernière fois qu'un modèle de jouet évolue vers quelque chose de plus compliqué.

Publié à l’origine sur disipio.wordpress.com le 9 décembre 2018.