La formation des structures de l'univers

L'essentiel du rayonnement de fond diffus serait dans notre cadre comme dans le modèle standard, la signature d'une phase primordiale chaude et dense de l'univers. Les choses se présentent de la façon suivante:

L'univers présent au contraire nous apparaît extrêmement inhomogène: la matière s'est concentrée suivant des structures, les galaxies formées de centaines de milliards d'étoiles qui se sont regroupées en amas de galaxies laissant entre les étoiles, entre les galaxies, entre les amas un vide extrêmement poussé. Les fluctuations de densité sont donc à notre époque bien supérieures à 1 (il n'y a plus que des grumeaux dans la soupe!).

La cosmologie doit donc expliquer comment des petites sur-densités initiales de l'ordre de 1/100000 ont pu croître linéairement jusqu'à 1 puis non linéairement au delà pour aboutir aux structures stables que nous observons. Elle doit rendre compte non seulement de la taille typique des structures observées mais aussi de leur distribution en position et vitesse dans l'univers présent.

Le domaine linéaire

Les grumeaux ne peuvent croître initialement de 1/100000 à 1 sous l'action de la gravité que si l'expansion de l'univers ne les re-dilue pas plus vite qu'ils ne se forment. C'est pour cette raison qu'en RG, l'univers ayant été décéléré sur l'essentiel de son histoire, connaissant le taux d'expansion présent, on calcule que le taux d'expansion était bien trop important dans les premiers milliards d'années pour permettre la croissance des structures. Or celles-ci, nous le savons, sont apparues très tôt dans l'histoire de l'univers, dès le premier milliard d'années. C'est ici que le modèle standard de la cosmologie doit appeler à la rescousse sa première bouée de secours, l'épicycle de la matière noire, une matière inconnue et invisible mais qui aurait les propriétés idéales lui permettant de commencer à former ses structures beaucoup plus tôt que la matière normale puis en attirant à elle cette dernière, l'aider  à initier ses propres structures malgré l'effet contrecarrant de l'expansion. 

En DG, dans l'hypothèse ou l'univers  a connu une expansion accélérée depuis ses origines, le taux d'expansion était donc beaucoup plus faible à l'époque ou l'univers à émis le rayonnement fossile que ne le calcule le Modèle Standard reposant sur la RG. C'est pourquoi il est assuré que les fluctuations initiales de densité aussi infimes que 1/100000 aient pu rapidement croître jusqu'à 1, n'étant pas aussitôt re-diluées par l'expansion trop faible, sans faire appel à une composante de matière inconnue et invisible.

Matière noire contre matière miroir

La théorie DG implique l'existence d'une matière miroir i.e avec exactement les mêmes propriétés que la matière que nous connaissons, gravitationnellement auto-attractive donc pouvant également former des structures mais répulsive vis à vis de notre matière normale. Cette matière est par ailleurs naturellement invisible puisqu'elle suit les géodésiques (les rails invisibles) d'un versant de la gravité qui n'est pas le versant sur lequel notre matière évolue. Toutes ces règles du jeu sont familières à ceux qui connaissent les travaux de JP Petit. Ce sont exactement les mêmes en DG et par conséquent je me réfèrerai aux résultats des travaux de ce chercheur. Les nouvelles règles du jeu, bien que testées avec des outils de simulation limités s'y sont révélées extraordinairement fructueuses (cf l'ouvrage de vulgarisation: on a perdu la moitié de l'univers).

Comme dans le domaine linéaire, ce n'est que grâce à la matière noire que les simulations en RG parviennent à reproduire les observations. Avant de rentrer dans les détails, il importe de préciser la différence essentielle entre le statut de la matière noire en RG et celui de la matière miroir en DG.

1) La théorie de la gravitation qu'est la RG ne porte pas en elle même les principes qui permettent d'envisager la matière-noire. Celle-ci est au contraire un sous-produit de théories de physique des particules extrêmement spéculatives telles que la Super-symétrie n'ayant pas bénéficié à ce jour du moindre élément de confirmation. La matière miroir émane au contraire de la théorie DG.

2) La matière noire est un fourre-tout. Ses propriétés inconnues peuvent être ajustées à volonté en jouant sur des dizaines de paramètres libres de la théorie de la Super-symétrie. Les propriétés de la matière miroir sont connues et sans mystères puisqu'il ne s'agit que de matière normale (antimatière plus précisément) vivant dans un autre versant de la gravité. On ne peut les faire varier à loisir. Son invisibilité de notre point de vue est en particulier absolue tandis que celle de la matière noire repose sur la valeur de paramètres ajustables. Ses propriétés gravitationnelles déjà évoquées sont triviales et se déduisent également des principes de DG.

3) La quantité de matière miroir présente dans l'autre versant de la gravité est exactement la même que celle de la matière sur notre versant contrairement à la densité de matière noire qui est un paramètre ajustable dans le modèle standard reposant sur la RG. En effet, les lois de la physique ne favorisant pas l'antimatière sur la matière, il faut que la matière miroir soit de l'anti-matière dans exactement les mêmes proportions que notre matière pour respecter et restaurer élégamment (les deux versants de la gravité ayant été confondus à un stade primordial) la symétrie fondamentale qu'est l'inversion de la charge.

4) Au stade ou les deux versants de la gravité se sont séparés en DG, chaque versant a emporté avec lui de la matière et de l'antimatière qui ont du s'annihiler de telle sorte que comme nous l'avons dit, la densité résiduelle d'antimatière de l'univers miroir est aussi celle de la matière dans notre univers. Par contre, comme il n'y a aucune raison à priori que les deux versant aient emporté la même quantité de matière plus antimatière, l'annihilation n'a pas du produire le même nombre de photons sur les deux versants.  Cependant statisquement, compte tenu du très grands nombres de particules et annihilations impliquées, la différence relative doit être négligeable et on peut considérer que le rapport matière/lumière est aussi le même sur les deux versants. Ce rapport estimé par la nucléosynthèse primordiale
permet d'obtenir la densité de matière dans l'univers connaissant celle très bien mesurée des photons. Cette densité de matière se trouve être 3 fois celle qu'on peut observer directement. L'hydrogène moléculaire froid difficilement détectable devrait combler le déficit (déficit moindre que dans le Modèle standard) 

Le domaine non linéaire

La formation et la stabilisation de structures à partir de fluctuations de densité au delà de 1 constitue le domaine non linéaire. Dans le cadre de DG, il s'agit simplement d'injecter dans les simulations, la même densité de matière normale et de rayonnement sur les deux versants mais deux lois d'expansion différente: légère accélération (a(t)~t^4/3) de notre versant et décélération (a(t)~t^4/5) du versant obscur qui vont contribuer à briser la symétrie de comportement des deux versants de l'univers. Les temps caractéristiques sur notre versant accélèrent aussi par rapport à ceux du versant obscur. Notre versant prend donc de l'avance et  le versant obscur est encore à un stade précoce d'effondrement de ses structures et plus chaud que le notre.

Les résultats obtenus par JP Petit en jouant sur des différences de densité de matière (la différence de régime d'évolution des deux versants permet d'obtenir un taux de dilution différent et de garantir que cela se produit effectivement) suffisent à emporter la conviction: les structures qui se forment sur le versant obscur peuvent être beaucoup plus importantes et expliquent facilement la présence des supervides: grandes bulles de vides (133 Mpc) telles qu'on les observe de notre point de vue, notre matière étant repoussée et confinée sur une structure en éponge à la périphérie de ces grandes structures (rayons caractéristiques 10000 fois supérieurs à ceux d'une galaxie typique) de l'autre versant de l'univers. Précisons que dans le domaine linéaire, la dynamique de l'interaction entre les matières des deux versants ne se distingue pas de celle du modèle standard entre sous densités et surdensités. Seul le taux d'expansion permet de différencier DG et le Modèle standard dans ce régime des toutes petites fluctuations de densité. Par contre dans le domaine non linéaire un simple vide du modèle standard est une sous densité qui ne peut pas évoluer pour devenir inférieure à moins un: on ne peut faire plus vide que le vide! Dans le cadre de DG la matière répulsive qui s'est effondrée et occupe ces vides peut signifier au contraire des fluctuations de densité d'amplitude aussi grande que l'on veut en valeur négative et ses effets répulsifs devraient conduire la plupart des vides à se raréfier beaucoup plus que ceux issus des simulations du modèle standard. Les observations semblent donner raison à DG: les vides sont remarquablement raréfiés et sphériques dans l'univers. 

Effectuant un zoom sur les galaxies, i.e. les structures nettement plus petites qui se forment sur notre versant le long des parois de l'éponge cosmique, on obtient des structures stables de galaxie (comme cette magnifique spirale barrée que vous trouverez sur le site de JP Petit) avec des courbes de rotation parfaites telles qu'observées. La matière visible a simplement chassé la matière de l'autre versant dans lequel elle laisse dans une distribution relativement homogène un espace déserté: une bulle assez homogène d'espace vide qui s'étend bien au delà du rayon visible de la galaxie et joue parfaitement le même rôle qu'un halo de matière noire. Ces halos sont ceux que le modèle standard reposant sur la RG utilise justement pour expliquer la formation et la rotation des galaxies. Tout cela peut fonctionner aussi en DG grâce au fait qu'une sous-densité de matière de l'autre versant d'univers y est équivalente à une sur-densité sur notre versant.

Le vide répulsif a aussi une propriété beaucoup plus sympathique que la matière noire: il ne forme pas de grumeaux contrairement à cette dernière, grumeaux que l'on n'observe ni au centre ni dans le halo de la galaxie ce qui constitue une anomalie sérieuse pour les modèles avec matière noire.

La compréhension de la courbe de rotation de notre galaxie pourrait être encore améliorée par la présence de coques de matière le long de discontinuités. Des lieux d'intersections se produisant entre les deux versants dans ces zones, notre matière pourrait y rencontrer l'anti-matière de notre univers et s'annihiler avec elle pour produire les gammas d'annihilation et les anti-particules observées.  

La masse effective d'une galaxie en DG peut donc être considérée comme la somme de sa composante visible et de la composante de masse déplacée, masse chassée du vide laissé dans l'autre versant. Il reste à vérifier que c'est là toute la masse qu'il faut pour contribuer à rendre compte de la dynamique des amas de galaxies aussi bien que des effets de lentille gravitationnelle observés et qu'une cartographie détaillée des sous-densités et sur-densités de matière de l'autre versant d'univers peut être établie aussi précisément en lieu et place de la cartographie de distribution de matière noire récemment achevée, à partir des mêmes données d'observation.

Récemment, les partisans de la matière noire ont cru pouvoir triompher de ceux qui privilégient des théories de gravitation modifiée. En observant la collision entre des galaxies dans un amas, il a été possible de distinguer par leurs effets dynamiques les mouvements des composantes de matière visible qui entrent en collision et donc subissent des freinages de ceux de la composante de matière noire qui interagissant très faiblement se traversent sans se voir. Ceci met en difficulté toutes les théories qui reposent sur la modification de la force gravitationnelle à longue distance pour se passer de la matière noire mais pas du tout DG. La loi de la gravité de DG est certes modifiée par rapport à celle de la RG mais de façon complètement négligeable pour la dynamique des galaxies ou des amas pour lesquels l'approximation Newtonienne reste valable. Seulement, dans le cas qui nous occupe, il y a aussi en DG deux composantes qui rentrent en collision, les deux structures visibles d'une part et d'autre part les deux bulles de vide évidemment non collisionnelles qui doivent se comporter aussi différemment l'une de l'autre que les composantes de matière noire et visible du modèle standard. Ce test n'est donc pas discriminant dans le cas de DG.

N'en déplaise aux croyants, il n'existe donc à ce jour aucune preuve de l'existence de cette hypothétique matière noire sur laquelle repose le modèle standard de la cosmologie!

Toutes références utiles peuvent être retrouvées dans le review gr-qc/0610079.