Elle est censée être la forme de matière la plus répandue dans l’univers, mais personne ne l’a jamais vue.
Cela fait plus de 50 ans que les astronomes ont proposé la « matière noire », qui est censée être la forme de matière la plus répandue dans l’univers. Malgré cela, nous n’avons aucune idée de ce qu’elle est – personne ne l’a vue directement ou ne l’a produite en laboratoire.
Alors comment les scientifiques peuvent-ils être si sûrs de son existence ? Devraient-ils l’être ? Il s’avère que la philosophie peut nous aider à répondre à ces questions.
Dans les années 1970, une étude fondamentale menée par les astronomes Vera Rubin et Kent Ford sur la rotation de notre galaxie voisine Andromède a révélé une incohérence surprenante entre la théorie et l’observation. Selon notre meilleure théorie gravitationnelle pour ces échelles – les lois de Newton – les étoiles et les gaz d’une galaxie devraient tourner de plus en plus lentement à mesure qu’ils s’éloignent du centre de la galaxie. Cela s’explique par le fait que la plupart des étoiles se trouvent près du centre, ce qui crée une forte force gravitationnelle à cet endroit.
Les résultats de Rubin et Ford ont montré que ce n’était pas le cas. Les étoiles situées à la périphérie de la galaxie se déplaçaient à peu près aussi vite que les étoiles situées autour de son centre. L’idée que la galaxie doit être encastrée dans un grand halo de matière noire a été proposée à la base pour expliquer cette anomalie (bien que d’autres l’aient suggéré auparavant). Cette masse invisible interagit avec les étoiles extérieures par le biais de la gravité et augmente leur vitesse.
Il ne s’agit que d’un exemple parmi plusieurs anomalies dans les observations cosmologiques. Cependant, la plupart d’entre elles peuvent être expliquées de la même manière en modifiant les lois gravitationnelles actuelles de la dynamique newtonienne et la théorie de la relativité générale d’Einstein. Peut-être la nature se comporte-t-elle légèrement différemment à certaines échelles que ne le prévoient ces théories ?
L’une des premières théories de ce type, élaborée par le physicien israélien Mordehai Milgrom en 1983, suggérait que les lois newtoniennes pouvaient fonctionner légèrement différemment en cas d’accélération extrêmement faible, comme au bord des galaxies. Cette modification était parfaitement compatible avec la rotation galactique observée. Néanmoins, les physiciens d’aujourd’hui privilégient massivement l’hypothèse de la matière noire incorporée dans le modèle dit CDM (Lambda Cold Dark Matter).
Ce point de vue est si fortement ancré dans la physique qu’il est largement désigné comme le « modèle standard de la cosmologie ». Toutefois, si les deux théories concurrentes de la matière noire et de la gravité modifiée peuvent expliquer de la même manière la rotation galactique et d’autres anomalies, on peut se demander si nous avons de bonnes raisons d’en préférer une à l’autre.
Pourquoi la communauté scientifique a-t-elle une forte préférence pour l’explication de la matière noire par rapport à la gravité modifiée ? Et comment pouvons-nous décider laquelle de ces deux explications est la bonne ?
La philosophie à la rescousse
Il s’agit d’un exemple de ce que les philosophes qualifient de « sous-détermination de la théorie scientifique » par les preuves disponibles. Il s’agit de toute situation dans laquelle les preuves disponibles sont insuffisantes pour déterminer les croyances que nous devrions avoir en réponse à ces preuves. Il s’agit d’un problème qui laisse les philosophes des sciences perplexes depuis longtemps.
Dans le cas de l’étrange rotation des galaxies, les données seules ne permettent pas de déterminer si les vitesses observées sont dues à la présence de matière supplémentaire inobservable ou au fait que nos lois gravitationnelles actuelles sont incorrectes.
Les scientifiques recherchent donc des données supplémentaires dans d’autres contextes qui permettront de trancher la question. Un tel exemple en faveur de la matière noire provient des observations de la façon dont la matière est distribuée dans l’amas de galaxies Bullet, qui est constitué de deux galaxies en collision à environ 3,8 milliards d’années-lumière de la Terre. Une autre étude est basée sur les mesures de la déviation de la lumière par la matière (invisible) du fond diffus cosmologique, la lumière laissée par le big bang. Ces observations sont souvent considérées comme des preuves indiscutables en faveur de la matière noire, car la théorie initiale de Milgrom ne peut les expliquer.
Cependant, suite à la publication de ces résultats, d’autres théories de gravité modifiée ont été développées au cours des dernières décennies afin de rendre compte de toutes les preuves observationnelles de la matière noire, parfois avec un grand succès. Pourtant, l’hypothèse de la matière noire reste toujours l’explication préférée des physiciens. Pourquoi ?
Une façon de le comprendre est d’utiliser les outils philosophiques de la théorie bayésienne de la confirmation. Il s’agit d’un cadre probabiliste permettant d’estimer dans quelle mesure les hypothèses sont soutenues par les preuves disponibles dans divers contextes.
Dans le cas de deux hypothèses concurrentes, ce qui détermine la probabilité finale de chaque hypothèse est le produit du rapport entre les probabilités initiales des deux hypothèses (avant les preuves) et le rapport des probabilités que les preuves apparaissent dans chaque cas (appelé rapport de vraisemblance).
Si nous acceptons que les versions les plus sophistiquées de la gravité modifiée et de la théorie de la matière noire sont également soutenues par les preuves, alors le rapport de vraisemblance est égal à un. Cela signifie que la décision finale dépend des probabilités initiales de ces deux hypothèses.
Déterminer ce qui compte exactement comme « probabilité initiale » d’une hypothèse, et les manières possibles de déterminer ces probabilités, reste l’un des défis les plus difficiles de la théorie bayésienne de la confirmation. Et c’est ici que l’analyse philosophique s’avère utile.
Au cœur de la littérature philosophique sur ce sujet se trouve la question de savoir si les probabilités initiales des hypothèses scientifiques doivent être déterminées objectivement en se basant uniquement sur des lois probabilistes et des contraintes rationnelles. Ou bien, elles pourraient faire intervenir un certain nombre de facteurs supplémentaires, comme des considérations psychologiques (si les scientifiques favorisent une hypothèse particulière par intérêt ou pour des raisons sociologiques ou politiques), des connaissances de base, le succès d’une théorie scientifique dans d’autres domaines, etc.
L’identification de ces facteurs nous aidera finalement à comprendre les raisons pour lesquelles la théorie de la matière noire a la faveur de la communauté des physiciens.
En définitive, la philosophie ne peut pas nous dire si les astronomes ont raison ou tort quant à l’existence de la matière noire. Mais elle peut nous dire si les astronomes ont effectivement de bonnes raisons d’y croire, quelles sont ces raisons, et ce qu’il faudrait pour que la gravité modifiée devienne aussi populaire que la matière noire.
Nous ne connaissons toujours pas les réponses exactes à ces questions, mais nous y travaillons. Des recherches plus poussées en philosophie des sciences nous permettront d’obtenir un meilleur verdict.
Antonis Antoniou, candidat au doctorat en philosophie des sciences, Université de Bristol
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