The Modified Newtonian Dynamics MOND and its implications

The Modified Newtonian Dynamics (MOND) and its implications for new physics JD. Bekenstein astro-ph/0701848

Introduction • • • Newton = Bonne approximation de la RG dans le des faibles vitesses et champs faibles domaine Newton + Matière visible accélérations insuffisantes pour reproduire les vitesses de rotation des galaxies et les vitesses aléatoires des amas Solution: halos de matière noire faiblement interactive accélération manquante, et évite la formation trop fréquente de barres dans les galaxies Problème: Toujours pas de détection directe de DM Alternative: Modified Newtonian Dynamics sans DM

DM et galaxies • • Au delà du bulbe central, Mvis(r )~M on attend v~1/r 1/2 Au contraire, courbes de rotations plates bien au delà du disque optique (~10 kpc) ! • Il faudrait que MDM_spheric(r )~r r. DM (r )~1/r 2 • Simulations Cosmo avec DM r. DM (r )~1/r (central cusp) puis 1/r 3 Fine tuning nécessaire !

Gravité modifiée linéaire g (r) ~1/r et M ~ (vflat)2 Incompatible avec la loi de Tully Fisher: L ~ (v_flat)4 où L = luminosité : bon indicateur de Masse totale stellaire

MOND (Milgrom 1983) Régime Newtonien Régime MOND

Les succès de MOND • • MOND non linéaire : a~M 1/2/r MOND prédit la loi de Tully Fisher • Régime Newton régime MOND dès que la densité surfacique de masse du disque tombe sous G/a 0 • MOND reproduit détails de courbes de rotation avec un paramètre (Masse stellaire du disque) et prédictive a 0= 1. 210 -10 ms-2

MOND en difficulté dans les amas MOND amélioration dans les amas mais toujours 50% de masse manquante matière baryonique invisible? , neutrinos lourds?

Signification physique du succès de MOND • • • a 0 ne peut pas correspondre à une échelle fondamentale pour la distribution de DM MOND exacte ne peut être une modification de la partie inertielle de ma=f : serait non conservative. MOND approchée non plus : ne peut être déduite d’une action locale au terme cinétique modifié – – MOND valable que pour des trajectoires circulaires ? ! MOND due à interaction avec le vide dépendante de l’accélération modifiant les propriétés inertielles des corps !? MOND: plus probablement une modification de la force!

• • • MOND: approximation de AQUAL: une théorie à Lagrangien aquadratique AQUAL est conservative AQUAL = MOND + correction rotationnelle nulle en symétrie sphérique, faible en général (10 -15%) AQUAL respecte le Principe d’équivalence faible AQUAL limite la formation de barres

AQUAL vs DM • AQUAL: Effets dissipatifs plus importants (~a) • Amas globulaires de Fornax (naine sphéroidale) anomalie pour DM et AQUAL • DM Cusps non observés

En quête de MOND relativiste • Motivations pour une théorie relativiste – • Les lentilles gravitationnelles: un effet relativiste également sensible à des effets d’accélération anormale (amas…) – La cosmologie Contraintes: – – • Causalité Effets de lentilles suffisants Covariance MOND en approximation non relativiste AQUAL RAQUAL PCG Te. Ve. S

Te. Ve. S (Bekenstein: Tenseur-Vecteur-Scalaires) Action d’Einstein-Hilbert pour la dynamique de gmn + Actions pour la dynamique de Um, f sur les géodésiques de gmn + Action pour la dynamique de matière et radiation sur les géodésiques de:

Te. Ve. S et BSTV • Te. Ve. S : Une fonction libre et 3 paramètres • Extension BSTV (Biscalar Tensor Vector) a 0 évolue avec la cosmologie • BSTV : 3 fonctions libres et 3 paramètres

Te. Ve. S et lentilles gravitationnelles • Lentille cosmologique ~ GR • Lentille au voisinage d’une masse m dépend de m via deux potentiels: • Prédictions différentes de GR pour – – Amplifications relatives de multi-images Time delays Fréquence de weak lensing Collision d’amas : weak lensing sépare DM et gaz visible Te. Ve. S en difficulté…mais problème aussi pour DM:

Te. Ve. S et Cosmologie • Te. Ve. S+massive neutrinos+Lambda reproduit le spectre de distribution des galaxies et du CMB (feed-back du champ scalaire peut imiter les effets de DM) • Te. Ve. S peut produire des phases d’accélération primordiale (~ Inflation) ou tardive (~ Lambda) (champ scalaire peur jouer le rôle de Dark Energy) • Te. Ve. S peut mimer l’évolution LCDM de l’univers sans DM n DE

Te. Ve. S dans le système solaire • Les Zones d’accélérations minimales dans le système solaire (entre la terre et la lune, le soleil et Jupiter) sont étroites mais devraient permettre la détection d’effets Te. Ve. S (LISA 2009) • Le développement Post-Newtonien de Te. Ve. S est le même que pour la RG exceptés les paramètres de violation de l’Invariance de Lorentz Locale (calcul urgent pour Te. Ve. S car très contraints !)

Perspectives • Multiples théories relativistes sur le marché ~ MOND dans le domaine non relativiste donc problème avec les amas! • Les champs scalaires de BSTV peuvent générer des bosons primordiaux susceptibles de tomber dans les amas mais pas les galaxies! • Bekenstein: « Il est temps de passer à une approche plus déductive partant de premiers principes »