MOND (Modified Newtonian Dynamics)

MOND, acronyme de Modified Newtonian Dynamics ou «dynamique newtonienne modifiée», est une proposition théorique introduite en 1983 par le physicien Mordehai Milgrom afin d'expliquer certaines propriétés dynamiques des galaxies sans supposer nécessairement la présence des grandes quantités de matière noire habituellement utilisées dans le modèle cosmologique standard. L'idée fondamentale consiste à modifier le comportement de la dynamique newtonienne lorsque les accélérations deviennent extrêmement faibles, comme c'est fréquemment le cas dans les régions externes des galaxies. Dans le régime des accélérations ordinaires, MOND doit reproduire approximativement les lois de Newton afin de rester compatible avec les expériences et les observations réalisées notamment dans le Système solaire. En revanche, lorsque l'accélération gravitationnelle devient inférieure à une certaine échelle caractéristique, la relation entre force, masse et accélération est modifiée. Cette modification peut produire des vitesses orbitales plus élevées que celles attendues à partir de la seule matière visible dans le cadre newtonien conventionnel. MOND a notamment été développée pour expliquer les courbes de rotation approximativement plates des galaxies spirales, qui constituent historiquement l'un des principaux arguments en faveur de la matière noire. Il est cependant important de distinguer MOND, qui fut initialement formulée comme une modification phénoménologique de la dynamique, des théories relativistes complètes de la gravitation pouvant chercher à reproduire son comportement.

Dans une galaxie spirale, les étoiles et le gaz tournent autour du centre sous l'influence de la gravitation produite par l'ensemble de sa masse. En appliquant directement la dynamique newtonienne à la distribution de matière visible, on pourrait s'attendre à ce que la vitesse orbitale diminue suffisamment loin du centre lorsque la majeure partie de la masse lumineuse se trouve à l'intérieur de l'orbite considérée. Les observations montrent pourtant que, dans de nombreuses galaxies, les vitesses restent approximativement constantes sur une grande partie des régions externes : il s'agit des courbes de rotation plates. L'explication conventionnelle suppose que chaque galaxie est entourée d'un vaste halo de matière noire dont la masse supplémentaire maintient les vitesses observées. MOND propose une interprétation différente : lorsque l'accélération devient suffisamment faible, la dynamique elle-même s'écarterait de sa forme newtonienne habituelle. Une accélération gravitationnelle apparente plus importante peut alors être obtenue à partir de la matière baryonique présente sans ajouter le même halo de matière noire que dans l'interprétation standard. Cette idée permet à MOND de reproduire de nombreuses courbes de rotation galactiques à partir de la distribution observée des étoiles et du gaz, ce qui constitue l'un de ses principaux succès phénoménologiques.

Le comportement de MOND est caractérisé par une échelle d'accélération fondamentale, généralement notée (a_0), dont la valeur est de l'ordre de (10^{-10} text{m/s}^2). Lorsque l'accélération newtonienne (a_N) est très supérieure à (a_0), les équations doivent retrouver approximativement la dynamique newtonienne classique. Lorsque (a_N) devient beaucoup plus faible que (a_0), le système entre dans le régime dit de MOND profond, où la relation entre accélération observée et accélération newtonienne change. Dans une formulation simplifiée, ce régime conduit approximativement à une relation de la forme (a simeq sqrt{a_N a_0}). Cette modification permet d'obtenir naturellement des vitesses orbitales qui tendent à devenir approximativement constantes loin du centre de certaines galaxies. Elle conduit également à une relation entre la masse baryonique totale d'une galaxie et sa vitesse de rotation asymptotique, proche de la relation baryonique de Tully-Fisher observée. Cette capacité à relier directement la distribution de matière ordinaire à certaines propriétés dynamiques des galaxies constitue l'un des aspects les plus remarquables de MOND. La valeur et la signification fondamentale de (a_0) restent toutefois des questions importantes, puisqu'une théorie plus fondamentale devrait idéalement expliquer pourquoi une telle échelle d'accélération existe.

MOND présente plusieurs succès à l'échelle des galaxies, ce qui explique pourquoi cette proposition continue d'être étudiée malgré la domination du modèle cosmologique ΛCDM. Elle reproduit souvent efficacement la forme des courbes de rotation à partir de la distribution de matière baryonique observée et met naturellement en relation certaines caractéristiques dynamiques avec la quantité de matière visible. Elle est également étroitement associée à la relation accélération radiale, selon laquelle l'accélération mesurée dans de nombreuses galaxies est fortement corrélée avec celle prédite à partir de leur matière baryonique. Dans le cadre conventionnel de la matière noire, ces régularités doivent émerger de la relation complexe entre les halos de matière noire et l'évolution de la matière baryonique. MOND les incorpore plus directement dans sa prescription dynamique, ce qui constitue un élément important de son intérêt scientifique. Elle a également été appliquée aux galaxies à faible brillance de surface et aux galaxies naines, dans lesquelles les accélérations internes peuvent être particulièrement faibles. Tous les systèmes galactiques ne sont cependant pas simples à interpréter et les incertitudes concernant la masse des étoiles, la distribution du gaz et l'environnement peuvent influencer les comparaisons. Les succès de MOND aux échelles galactiques constituent donc un ensemble important de contraintes que les modèles de matière noire doivent eux aussi être capables de reproduire.

Les difficultés deviennent généralement plus importantes lorsque MOND est appliquée aux amas de galaxies et à la cosmologie dans son ensemble. Même après modification de la dynamique, certains amas semblent encore nécessiter une quantité de masse supplémentaire pour expliquer leurs mouvements, la température de leur gaz et leurs effets de lentille gravitationnelle. Des systèmes comme l'amas du Boulet sont particulièrement intéressants parce qu'ils permettent de comparer spatialement les galaxies, le gaz baryonique et la distribution de masse reconstruite par lentille gravitationnelle. Le modèle cosmologique ΛCDM explique ces observations en faisant intervenir une composante de matière noire qui traverse largement la collision avec les galaxies tandis que le gaz ordinaire est fortement ralenti. Une formulation MOND simple ne fournit pas à elle seule une description complète de tous ces phénomènes et peut nécessiter une composante supplémentaire de matière non visible ou une théorie relativiste plus élaborée. Le fond diffus cosmologique représente une autre contrainte majeure, car son spectre d'anisotropies fournit des informations très précises sur la quantité et le comportement des différentes composantes de l'Univers primordial. La formation des grandes structures doit également être reproduite depuis les faibles fluctuations initiales jusqu'à la distribution actuelle des galaxies et des amas. Une alternative cosmologique complète fondée sur les idées de MOND doit donc expliquer beaucoup plus que les seules courbes de rotation galactiques.

Une autre limitation de la formulation originale de MOND est qu'elle ne constitue pas, à elle seule, une théorie relativiste complète de la gravitation. Une modification de la dynamique newtonienne peut être suffisante pour calculer certaines orbites à faible vitesse, mais elle ne décrit pas automatiquement la courbure de l'espace-temps, la propagation de la lumière ou l'évolution globale de l'Univers. Or, ces phénomènes sont indispensables pour étudier les lentilles gravitationnelles, le fond diffus cosmologique, les trous noirs et l'expansion cosmique. Plusieurs théories relativistes ont donc été développées afin de reproduire un comportement semblable à MOND dans certaines limites. L'une des plus connues est TeVeS, ou Tensor-Vector-Scalar gravity, proposée par Jacob Bekenstein en 2004 et reposant sur l'introduction de champs tensoriel, vectoriel et scalaire. D'autres formulations relativistes inspirées de MOND ont également été étudiées afin d'améliorer leur compatibilité avec les observations cosmologiques et gravitationnelles. Ces théories doivent toutefois satisfaire de nombreuses contraintes expérimentales, notamment celles provenant du Système solaire, des pulsars binaires et des observations d'ondes gravitationnelles. MOND doit ainsi être considérée comme le point de départ d'une famille d'approches de gravitation modifiée plutôt que comme une théorie relativiste unique capable, dans sa formulation originale, de remplacer directement la relativité générale.

MOND occupe finalement une position particulière dans la cosmologie et l'astrophysique modernes, car elle met en évidence plusieurs régularités remarquables dans la dynamique des galaxies tout en rencontrant des difficultés lorsqu'elle doit expliquer l'ensemble des phénomènes cosmologiques. Le modèle standard fondé sur la relativité générale, la matière noire froide et l'énergie sombre demeure le cadre dominant parce qu'il fournit une description commune du fond diffus cosmologique, des grandes structures, des amas de galaxies et de l'expansion de l'Univers. MOND pose néanmoins une question fondamentale : les anomalies gravitationnelles observées dans les galaxies indiquent-elles principalement l'existence d'une matière invisible ou pourraient-elles révéler une propriété encore inconnue de la gravitation aux très faibles accélérations ? Les observations de galaxies toujours plus précises permettent de tester cette question en étudiant les courbes de rotation, les galaxies naines, les lentilles gravitationnelles et les mouvements stellaires. Parallèlement, les simulations utilisant la matière noire et les processus baryoniques cherchent à reproduire les mêmes régularités sans modifier les lois fondamentales de la gravitation. Des théories relativistes inspirées de MOND continuent également d'être développées et confrontées aux contraintes cosmologiques. Aucune preuve expérimentale n'a actuellement établi que la dynamique newtonienne devait être modifiée selon la prescription MOND. Son étude demeure néanmoins importante parce qu'elle fournit une alternative précisément testable et oblige les différentes théories de la matière noire et de la gravitation à expliquer les relations particulièrement étroites observées entre la matière baryonique et la dynamique des galaxies.