Exploring Modified Newtonian Dynamics (MOND) and Its Impact on Modern Physics

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

2. Introduction • Newton = Bonne approximation de la RG dans le domaine des faibles vitesses et champs faibles • 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

3. DM et galaxies • Au delà du bulbe central, Mvis(r )~M on attend v~1/r1/2 • Au contraire, courbes de rotations plates bien au delà du disque optique (~10kpc) ! • Il faudrait que MDM_spheric(r )~r  rDM (r )~1/r2 • Simulations Cosmo avec DM  rDM (r )~1/r (central cusp) puis 1/r3  Fine tuning nécessaire !

4. 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

5. MOND (Milgrom 1983) Régime Newtonien Régime MOND

6. Les succès de MOND • MOND non linéaire : a~M1/2/r • MOND prédit la loi de Tully Fisher • Régime Newton  régime MOND dès que la densité surfacique de masse du disque tombe sous G/a0 • MOND reproduit détails de courbes de rotation avec un paramètre (Masse stellaire du disque) et prédictive a0= 1.210-10ms-2

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

8. Signification physique du succès de MOND • a0 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!

9. MOND: approximation de AQUAL • 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

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

11. 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  TeVeS

12. TeVeS(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:

13. TeVeS et BSTV • TeVeS : Une fonction libre et 3 paramètres • Extension BSTV (Biscalar Tensor Vector)  a0 évolue avec la cosmologie • BSTV : 3 fonctions libres et 3 paramètres

14. TeVeS 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  TeVeS en difficulté…mais problème aussi pour DM: vitesse des amas > vitesse dans les simulations

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

16. TeVeS 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 TeVeS (LISA-2009) • Le développement Post-Newtonien de TeVeS est le même que pour la RG exceptés les paramètres de violation de l’Invariance de Lorentz Locale (calcul urgent pour TeVeS car très contraints !)

17. 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 »