Astronomie

La matière noire est-elle influencée par la gravité de la matière baryonique ?

La matière noire est-elle influencée par la gravité de la matière baryonique ?

Pour autant que je sache, les galaxies et les amas se forment le long de soi-disant "filaments galactiques" qui sont influencés par un réseau de matière noire qui les organise dans cette position dans l'univers. Il semble donc que la matière noire attire la matière baryonique par une sorte de gravité. Mais est-ce aussi vrai dans l'autre sens, et que « notre » masse a des forces gravitationnelles sur la matière noire ? Et sinon pourquoi ça va dans un seul sens ?

Dans une étude, les scientifiques ont observé les quatre galaxies en collision de l'amas Abell 3827 et ont découvert que l'une des enveloppes de matière noire de la galaxie derrière elle enferme. L'arriéré dans le système s'élève à 5 000 années-lumière (50 000 millions de millions de kilomètres - la sonde spatiale de la NASA Voyager ferait 90 millions d'années pour couvrir cette distance. Devrait créer un certain décalage entre une galaxie et sa matière noire associée lorsque la matière noire s'affecte elle-même, si petite soit-elle, par d'autres forces que la gravité.

Voir aussi https://www.youtube.com/watch?v=qtfTUPhXutQ et http://spacetelescope.org/news/heic1506/


La matière noire attire les baryons non seulement par une « sorte de gravité », mais simplement par gravité. Tout ce qui a une masse (même s'il ne s'agit que d'une masse relativiste comme la lumière) attire tout le reste par gravité, et donc les baryons attirent également la matière noire.

La raison pour laquelle la matière noire "organise" les galaxies est simplement qu'il y en a beaucoup plus, environ 7 fois plus, pour être précis. Ainsi, à grande échelle, la dynamique des galaxies est dominée par la matière noire. Mais parce que les baryons peuvent dissiper de l'énergie, elle peut s'effondrer en amas - tels que les nuages ​​moléculaires - qui sont donc dominés par les baryons.


Conférence 43 : Matière noire

Q : Où est la masse supplémentaire si elle ne vient pas des étoiles ?

R : Les galaxies ont étendu des " halos sombres "

  • Contient >90% de la masse de la galaxie
  • plus étendu que le composant starlight
  • les orbites des galaxies satellites suggèrent qu'il peut s'étendre jusqu'à 200 kpc ou plus !

La "Messe manquante" de Fritz Zwicky

    Trouvé des vitesses particulières de

Zwicky a suggéré que la "masse manquante" ajoute une gravité supplémentaire pour maintenir l'amas ensemble.

Matière noire en amas

Des observations ultérieures ont montré que les amas de galaxies sont constitués de 90 à 99 % de matière noire.

  • Les amas sont remplis de gaz intergalactique chaud émettant des rayons X. Sans matière noire, ce gaz se dissiperait.
  • La lentille gravitationnelle des galaxies d'arrière-plan par les amas nécessite de la matière noire dans les amas.

Matière noire

C'est "Dark" car il ne peut pas être détecté directement à l'aide de la lumière (d'aucune sorte).

  • Cela fait tourner les parties externes des galaxies plus rapidement que prévu à partir de leur lumière stellaire.
  • Cela fait orbiter les galaxies en amas plus rapidement que prévu à partir de la lumière totale des étoiles des galaxies.

Qu'est-ce que c'est?

  • Des particules subatomiques exotiques qui n'interagissent avec la matière que via la gravitation (ou peut-être la force faible) ?

Matière noire baryonique

  • Les naines brunes et les planètes de la taille de Jupiter.
  • Nuages ​​de gaz diffus
  • restes d'étoiles froides (trous noirs, étoiles à neutrons et naines blanches)
  • Boules de neige surgelées à l'hydrogène

Recherches de microlentilles

  • GR prédit : la gravité de l'objet sombre courbe la lumière des étoiles de l'étoile la plus éloignée.
  • Cela crée une "microlentille gravitationnelle" qui grossit momentanément l'étoile lorsqu'elle passe.

Microlentille gravitationnelle

  • L'alignement aléatoire entre l'objet sombre et l'étoile lointaine forme une lentille gravitationnelle.
  • Le mouvement de la lentille et de l'étoile lointaine la fait balayer la Terre.
  • Au fur et à mesure que l'objectif passe, nous voyons l'étoile lointaine s'illuminer soudainement à toutes les longueurs d'onde, puis s'estomper à une luminosité normale.

Collaborations en microlentille

Les alignements aléatoires sont très rares.

  • Un certain nombre de grandes collaborations internationales surveillent le LMC et Galactic Bulge.
  • Jusqu'à présent, ils ont collectivement trouvé

Matière noire non baryonique

Particules fondamentales qui n'interagissent que via la gravitation ou la force faible.

Recherches de particules de matière noire

Recherche la détection directe des particules de matière noire.

  • Tentatives de mesure de la masse du neutrino
  • Des expériences de collisionneur de particules pour créer de nouvelles particules massives fondamentales lors de collisions.
  • Recherche des particules de "matière noire froide" frappant la Terre depuis l'espace.

Une suggestion (très) radicale :

Certains ont suggéré que la matière noire n'existe pas, mais plutôt notre théorie de la gravité est fausse à grande échelle !


Baryonification – Simulations de matière noire à N corps et impact de la physique des gaz

Le modèle standard de la cosmologie (ΛCDM) nous indique le contenu en matière de l'univers avec une précision exquise. La matière peut être divisée en deux morceaux : la matière normale, visible, y compris les galaxies, les étoiles et le gaz que nous connaissons et aimons dans le ciel nocturne, et l'autre morceau beaucoup plus gros, la matière noire invisible. La matière visible est appelée “baryonique” (comme dans, faite de baryons) , et vient avec toute la physique riche des fluides, de la thermodynamique et du rayonnement. En revanche, la matière noire (du moins, la matière froide) est extrêmement simple. La matière noire n'interagit que gravitationnellement, et ce simple fait permet une simulation très précise de la dynamique de la matière noire à l'aide de simulations de gravité newtonienne à N corps.

Les simulations à N corps de matière noire uniquement sont excellentes pour décrire la formation de halos denses de matière noire, où la formation de galaxies a lieu, mais ne nous disent rien sur la formation de galaxies ou ses effets, où la matière baryonique normale joue un grand rôle. Pour capturer avec précision toute la physique en jeu, des simulations cosmologiques hydrodynamiques sont nécessaires pour inclure le gaz, les étoiles et le rayonnement (voir Figure 1). Cependant, même ces simulations “full-hydro” sont fondamentalement limitées par les plus petites échelles de longueur qui peuvent être résolues dans la simulation (souvent de l'ordre 1 kpc – pour référence, l'étoile la plus proche du système solaire est d'environ 1 pc un moyen). En conséquence, ils ne peuvent pas capturer tous les détails des effets à petite échelle qui entraînent les sorties de gaz (ou « rétroaction ») via les explosions de supernovae ou les noyaux galactiques actifs (AGN). La solution moderne à cela est d'utiliser ce qu'on appelle modèles de sous-réseau, qui capturent approximativement l'effet de la physique à petite échelle qui ne peut pas être résolu.

Figure 1: L'impact visuel des baryons sur la distribution de la matière noire. Les deux panneaux montrent les distributions spatiales de la matière noire à partir de : La gauche: matière noire uniquement, Droite: et des simulations hydroélectriques complètes. Lorsque la physique baryonique est incluse, le profil de densité dans un halo de matière noire donné apparaît plus lisse et a moins de petits halos. Adapté de Garrison-Kimmel et al. 2017.

L'article d'aujourd'hui s'intéresse à l'effet des baryons – et en particulier à la rétroaction – sur la distribution de la matière noire. Vous avez peut-être entendu dire que nous vivons à l'ère de la cosmologie de précision et, étonnamment, les cosmologistes doivent maintenant s'inquiéter des effets de niveau de pourcentage dans leurs modèles de distribution de densité de matière noire à des échelles de longueur relativement petites. Pour atteindre ce niveau de précision, les modèles et les simulations doivent tenir compte de l'impact des baryons sur la distribution de la matière noire, qui peut être perturbée gravitationnellement par quelque chose comme un jet AGN. De telles perturbations ne sont pas prises en compte dans les simulations de matière noire uniquement largement utilisées dans les analyses cosmologiques, généralement parce que les simulations hydroélectriques sont astronomiquement plus coûteuses en calculs que celles de matière noire uniquement. Cette différence de coût est si énorme qu'il serait impossible d'utiliser uniquement des simulations hydroélectriques dans les analyses cosmologiques. Face à ce dilemme, que faisons-nous ?

Correction baryonique

Ces auteurs suggèrent une voie à suivre en prenant la densité de matière émise dans la simulation de matière noire uniquement et en tenant compte des baryons grâce à des corrections de profil de halo qui ont un impact sur les statistiques mesurées. Le spectre de puissance de la matière Paquet) est la principale statistique récapitulative utilisée pour sonder la distribution de la densité de matière afin d'obtenir des informations sur les paramètres cosmologiques fondamentaux. À la base, le spectre de puissance de la matière vous indique à peu près la probabilité que la matière s'agglutine gravitationnellement sur une certaine échelle de longueur. Il s'écrit en fonction du nombre d'onde k, que vous pouvez considérer approximativement comme une longueur inverse.

Pour mesurer l'impact de l'inclusion de la physique hydrodynamique dans les simulations sur cette statistique centrale, les auteurs modélisent l'impact de divers composants influencés par le baryon sur le profil de densité du halo de matière noire (voir, par exemple, cet astrobite pour une discussion sur les profils de halo). En ajoutant des profils stellaires et gazeux, les auteurs modifient le profil de densité vanille de matière noire uniquement des halos. Figure 2 montre l'impact de chacun de ces composants individuellement sur le spectre de puissance de la matière à travers le rapport de la puissance calculée à partir de simulations avec l'hydrodynamique à la puissance calculée avec uniquement des simulations de matière noire uniquement.

Figure 2: Figure 6 du présent document. Le rapport entre la statistique de synthèse choisie (le spectre de puissance de la matière) pour les simulations hydrodynamiques et les simulations de matière noire uniquement (DMO). Ici, les composants hydrodynamiques du modèle sont énumérés et contribuent tous à une suppression en forme de cuillère du spectre de puissance de la matière noire uniquement. Cette suppression est la plus forte à un nombre d'onde élevé k, ou sur de petites échelles de longueur.

En détail, les composantes du modèle rendent compte de quatre effets principaux :

  1. Gaz lié par gravité (ligne pointillée) – gaz chaud qui traîne à l'intérieur du halo et produit des rayons X.
  2. Gaz éjecté (ligne pointillée fine) – gaz qui a été expulsé par des effets de rétroaction, tels que des sorties d'AGN.
  3. Étoiles galactiques (ligne pointillée) – gaz qui s'est formé en étoiles à l'intérieur de la galaxie centrale
  4. “Relaxation” de la matière noire (large ligne pointillée) – ou comment la matière noire répond dynamiquement à tous les effets ci-dessus en se contractant ou en se dilatant radialement.

L' effet net ( trait plein ) de toutes ces contributions est une suppression globale dans le spectre de puissance de la matière à nombre d' onde élevé k , ou à de petites échelles de longueur. Cette suppression montre qu'à petite échelle, les simulations de matière noire uniquement sont en désaccord significatif avec les simulations hydroélectriques, avec un décalage allant jusqu'à 20 % en raison de la physique baryonique ! Les auteurs notent que le gaz éjecté est l'effet le plus important dans l'ensemble, mais que la composante stellaire est particulièrement dominante à petite échelle (la montée en puissance du rapport à k


Matière noire:

En comparant les estimations de masse à la quantité de lumière observée des galaxies et à l'abondance des éléments légers, il existe un problème avec la fraction de la masse de l'Univers qui se trouve dans la matière normale ou les baryons. La fraction d'éléments légers indique que la densité de l'Univers en baryons n'est que de 2 à 4 % de ce que nous mesurons comme densité observée. Le reste de la masse semble être « manquant », c'est-à-dire non observé ou sombre.

La quantité exacte de matière noire dans l'Univers est un mystère et difficile à déterminer, évidemment parce qu'elle n'est pas visible. Il doit être déduit de ses effets gravitationnels sur la matière lumineuse de l'Univers (étoiles et gaz) et est généralement exprimé par le rapport masse/luminosité (M/L). Un M/L élevé indique beaucoup de matière noire, un M/L faible indique que la majeure partie de la matière est sous forme de matière baryonique, d'étoiles et de restes stellaires ainsi que de gaz.

Un point important pour l'étude de la matière noire est la façon dont elle est distribuée. Si elle est distribuée comme la matière lumineuse dans l'Univers, c'est qu'elle se trouve en grande partie dans les galaxies. Cependant, les études de M/L pour une gamme d'échelles montrent que la matière noire devient plus dominante à plus grande échelle.

Plus important encore, à de très grandes échelles de 100 Mpc (Mpc = mégaparsec, un million de parsecs et kpc = 1000 parsecs), la quantité de matière noire déduite est proche de la valeur nécessaire pour fermer l'Univers. Ainsi, c'est pour deux raisons que le problème de la matière noire est important, l'une pour déterminer quelle est la nature de la matière noire, est-ce une nouvelle forme de matière non découverte ?, la seconde est de déterminer si la quantité de matière noire est suffisante pour fermer l'Univers.


L'étoile Hexaquark “D est-elle la particule de matière noire ?

Depuis les années 1960, les astronomes ont émis l'hypothèse que toute la matière visible dans l'Univers (alias la matière baryonique ou « matière lumineuse) ne constitue qu'une petite fraction de ce qui s'y trouve réellement. Pour que la théorie de la gravité prédominante et éprouvée (telle que définie par la relativité générale) fonctionne (telle que définie par la relativité générale), les scientifiques ont dû postuler qu'environ 85 % de la masse de l'Univers est constituée de « matière noire ».

Malgré de nombreuses décennies d'études, les scientifiques n'ont pas encore trouvé de preuves directes de la matière noire et de la particule qui la constitue et ses origines restent un mystère. Cependant, une équipe de physiciens de l'Université de York au Royaume-Uni a proposé une nouvelle particule candidate qui vient d'être découverte. Connue sous le nom d'hexaquark d-star, cette particule aurait pu former la "matière noire" de l'Univers pendant le Big Bang.

L'équipe responsable était composée du Dr Mikhail Bashkanov et du professeur Daniel Watts du Département de physique de l'Université de York. Dans une étude récemment publiée dans le Journal of Physics G : Physique nucléaire et des particules, la paire a calculé les propriétés des hexaquarks d-star en tant que nouveau candidat potentiel pour la matière noire.

Les scientifiques savent que la matière noire existe en raison de son interaction via la gravité avec la matière visible comme les étoiles et les planètes. Crédit : Université de York

L'hexaquark est un exemple de condensat de Bose-Einstein, un « cinquième état de la matière » spécial qui se forme généralement lorsque de faibles densités de particules de bosons sont refroidies à un niveau proche du zéro absolu. Ils sont composés de six quarks, qui se combinent généralement par trois pour former des protons et des neutrons, pour créer une particule de boson. Cela signifie que la présence de plusieurs étoiles d peut conduire à des combinaisons qui produiront des choses autres que des protons et des neutrons.

Pendant des années, l'existence des hexaquarks d-star était purement théorique jusqu'à ce que des expériences menées en 2011 (et annoncées en 2014) aient indiqué la détection possible de la particule. La détection a eu lieu à un niveau d'énergie de 2380 MeV et n'a duré qu'une fraction de seconde (10 à 23 secondes). Le groupe de recherche de York suggère que ces conditions sont similaires à celles qui auraient été peu de temps après le Big Bang.

À cette époque, s'aventurent-ils, de nombreux hexaquarks d-star auraient pu se regrouper alors que l'Univers se refroidissait et s'étendait pour former le "cinquième état de la matière". Comme l'a déclaré le professeur Watts dans un récent communiqué de presse de l'Université de York :

« L'origine de la matière noire dans l'univers est l'une des plus grandes questions de la science et une question qui, jusqu'à présent, a laissé le champ libre. Nos premiers calculs indiquent que les condensats d'étoiles d sont un nouveau candidat possible pour la matière noire et cette nouvelle possibilité semble digne d'une étude plus approfondie et plus détaillée. Le résultat est particulièrement excitant car il ne nécessite aucun concept nouveau en physique.”

Vue d'artiste de deux baryons, composés chacun de trois quarks, qui se combinent pour former un hexaquark. Crédit : Université d'Édimbourg

Essentiellement, leurs résultats ont indiqué que pendant les premiers instants après le Big Bang, alors que le cosmos se refroidissait lentement, des hexaquarks d*(2830) stables auraient pu se former aux côtés de la matière baryonique. De plus, leurs résultats indiquent que le taux de production de cette particule aurait été suffisant pour expliquer les 85 % de la masse de l'Univers que l'on pense être de la matière noire.

Les chercheurs prévoient maintenant de collaborer avec des scientifiques en Allemagne et aux États-Unis pour tester leur théorie et rechercher des hexaquarks d-star dans le cosmos. Ils ont déjà en tête quelques signatures astronomiques possibles, qu'ils ont présentées dans leur récente étude. De plus, ils espèrent créer ces particules subatomiques dans un environnement de laboratoire pour voir si elles se comportent comme prévu. Tout cela fera l'objet de leurs prochaines études.

"La prochaine étape pour établir ce nouveau candidat à la matière noire sera d'obtenir une meilleure compréhension de la façon dont les étoiles d interagissent - quand s'attirent-elles et quand se repoussent-elles", a déclaré le Dr Bashkanov. “Nous menons de nouvelles mesures pour créer des étoiles d à l'intérieur d'un noyau atomique et voir si leurs propriétés sont différentes de celles lorsqu'elles sont dans l'espace libre.”


Matière noire

Contrairement à la matière normale, la matière noire n'interagit pas avec la force électromagnétique. Cela signifie qu'il n'absorbe, ne réfléchit ou n'émet pas de lumière, ce qui le rend extrêmement difficile à repérer. En fait, les chercheurs ont pu inférer l'existence de la matière noire uniquement à partir de l'effet gravitationnel qu'elle semble avoir sur la matière visible. La matière noire semble l'emporter sur la matière visible environ six à un, représentant environ 27% de l'univers. Voici un fait qui donne à réfléchir : la matière que nous connaissons et qui compose toutes les étoiles et galaxies ne représente que 5 % du contenu de l'univers ! Mais qu'est-ce que la matière noire ? Une idée est qu'il pourrait contenir des "particules supersymétriques" - des particules hypothétiques qui sont des partenaires de celles déjà connues dans le modèle standard. Les expériences au Grand collisionneur de hadrons (LHC) pourraient fournir des indices plus directs sur la matière noire.

De nombreuses théories disent que les particules de matière noire seraient suffisamment légères pour être produites au LHC. S'ils étaient créés au LHC, ils passeraient inaperçus à travers les détecteurs. Cependant, ils emporteraient de l'énergie et de la quantité de mouvement, de sorte que les physiciens pourraient déduire leur existence de la quantité d'énergie et de quantité de mouvement « manquante » après une collision. Les candidats à la matière noire apparaissent fréquemment dans les théories qui suggèrent une physique au-delà du modèle standard, telles que la supersymétrie et les dimensions supplémentaires. Une théorie suggère l'existence d'une « vallée cachée », un monde parallèle fait de matière noire ayant très peu de points communs avec la matière que nous connaissons. Si l'une de ces théories s'avérait vraie, cela pourrait aider les scientifiques à mieux comprendre la composition de notre univers et, en particulier, comment les galaxies se maintiennent ensemble.


C'est (probablement) la seule façon dont la matière noire interagit avec la matière ordinaire

La matière noire a récemment conduit les scientifiques à se lancer dans une chasse à l'oie sauvage. De nouvelles mesures plus précises d'un groupe de galaxies en collision semblent indiquer que la substance mystérieuse n'interagit probablement avec elle-même et avec la matière ordinaire que par gravité, inversant les conclusions que les scientifiques avaient tirées d'observations trois ans plus tôt.

La matière noire représente environ 27% du contenu de l'univers, mais les scientifiques en savent encore très peu sur ce qu'elle est réellement. Il n'émet ni ne réfléchit la lumière, ce qui le rend très difficile à étudier. Sa gravité peut cependant courber la trajectoire de la lumière dans un phénomène connu sous le nom de lentille gravitationnelle, qui a permis aux astronomes de s'assurer qu'il y a quelque chose là-bas.

Il y a trois ans, une équipe de chercheurs a utilisé le télescope spatial Hubble pour observer des galaxies entrant en collision dans l'amas Abell 3827, situé à environ 1,3 milliard d'années-lumière de la Terre. La matière noire des galaxies est apparue décalée par rapport à la matière visible lors de la collision, ce qui, selon les scientifiques, pourrait indiquer que la matière noire pourrait ressentir d'autres forces en plus de la gravité. [Matière noire et énergie noire : le mystère expliqué (infographie)]

Le même groupe de scientifiques a revisité cette observation pour une nouvelle étude avec l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) au Chili. Le puissant télescope a été capable de détecter des détails que l'observation de Hubble n'avait pas captés : la lumière infrarouge déformée d'une galaxie en arrière-plan. Les nouvelles données révèlent l'emplacement de la matière noire non détectée auparavant autour de la collision.

"Nous avons obtenu une vue à plus haute résolution de la galaxie lointaine en utilisant ALMA que même avec le télescope spatial Hubble", a déclaré Liliya Williams, chercheuse à l'Université du Minnesota et co-auteur du nouveau travail, dans un communiqué. "La vraie position de la matière noire est devenue plus claire que dans nos observations précédentes."

La nouvelle image qui a émergé indique que la plupart de la matière noire des galaxies est restée avec elles pendant la collision. Cela suggère que la matière noire ressent exclusivement les effets de la gravité ou qu'elle n'interagit que faiblement via d'autres forces. Alternativement, l'amas pourrait se déplacer vers la Terre, auquel cas nous ne nous attendrions pas à voir un déplacement latéral dans la matière noire, ont déclaré les scientifiques dans le communiqué. Si tel était le cas, la matière noire se serait déplacée devant ou derrière l'amas, rendant le décalage difficile à détecter. L'équipe annoncera ses conclusions le 6 avril lors de la conférence de la Semaine européenne de l'astronomie et des sciences spatiales à Liverpool, en Angleterre.

Les astronomes du monde entier continuent de regarder vers le ciel pour trouver des indices sur la nature de la matière noire. Au cours des dernières années, de nombreuses nouvelles hypothèses ont évolué pour expliquer la substance, car les scientifiques utilisent des modèles informatiques pour avoir une meilleure idée de ce qu'il faut rechercher. "Différentes propriétés de la matière noire laissent des signes révélateurs", a déclaré Andrew Robertson, chercheur à l'Université de Durham au Royaume-Uni et co-auteur de l'étude, dans le communiqué.

"Un test particulièrement intéressant est que les interactions avec la matière noire rendraient les amas de matière noire plus sphériques", a ajouté Robertson. "C'est la prochaine chose que nous allons rechercher."

Le nouveau travail paraîtra dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.


La matière noire est-elle influencée par la gravité de la matière baryonique ? - Astronomie

Maintenant qu'il a été démontré que les neutrinos ont une masse au repos, sont-ils à nouveau candidats à la constitution de matière noire ?

La masse au repos non nulle du neutrino a été proposée pour la première fois pour expliquer pourquoi beaucoup moins de neutrinos solaires que prévu ont été détectés dans une expérience dans les années 1960. Le nombre de neutrinos atteignant la Terre depuis le Soleil peut être prédit sur la base de la connaissance que nous avons des réactions de fusion solaire qui créent les neutrinos. Lorsque les prédictions ne correspondaient pas aux observations, il y avait quelques explications possibles. Soit les modèles du Soleil étaient incorrects, soit la connaissance des neutrinos était inexacte, ou les deux. La plupart des efforts se sont concentrés sur l'option deux car il y avait plusieurs autres observations du Soleil qui soutenaient les modèles solaires actuels. Pour expliquer le problème des neutrinos solaires, une théorie est que les neutrinos subissent des oscillations. En termes simples, les neutrinos se présentent sous différentes saveurs et la probabilité qu'un neutrino soit d'une saveur particulière peut changer au fur et à mesure que la particule se propage. Si ces oscillations se produisent effectivement (et il y a des expériences qui pensent les avoir détectées), alors le neutrino devrait avoir une masse au repos.

Alors, comment tout cela s'intègre-t-il avec le mystère de la matière noire ? Les neutrinos sont un candidat pour la matière noire, mais seulement s'ils ont une masse au repos non nulle. Les neutrinos n'interagissent que via la force faible et la gravité, ce qui expliquerait que nous ne voyons pas que la matière noire ne puisse pas être détectée par des interactions avec la lumière comme la matière baryonique (normale). Il y a aussi tellement de neutrinos que même s'ils n'avaient qu'une masse cinq millième de celle de l'électron, la masse de tous les neutrinos de l'univers pourrait compenser la matière manquante. Les neutrinos sont les principaux candidats de la théorie de la matière noire chaude qui, comme expliqué ici, est uniquement considérée comme une explication possible de la matière noire en combinaison avec la théorie de la matière noire froide et non seule.

Cette page a été mise à jour le 27 juin 2015.

A propos de l'auteur

Sabrina Stierwalt

Sabrina était étudiante diplômée à Cornell jusqu'en 2009, date à laquelle elle a déménagé à Los Angeles pour devenir chercheuse à Caltech. Elle étudie maintenant les fusions de galaxies à l'Université de Virginie et au National Radio Astronomy Observatory à Charlottesville. Vous pouvez également la trouver répondant à des questions scientifiques dans son podcast hebdomadaire intitulé Everyday Einstein.


Les premières galaxies de l'univers étaient moins influencées par la matière noire

De nouvelles observations du Very Large Telescope (VLT) de l'ESO indiquent que les galaxies massives formant des étoiles pendant l'époque de pointe de la formation des galaxies, il y a 10 milliards d'années, étaient dominées par la matière normale. Cela contraste avec les galaxies actuelles, où les effets de la matière noire semblent être beaucoup plus importants.

Représentation schématique des galaxies à disques en rotation dans l'Univers primitif (à droite) et de nos jours (à gauche). De nouvelles observations du VLT suggèrent que de telles galaxies massives formant des disques d'étoiles dans l'Univers primitif étaient moins influencées par la matière noire (indiquée en rouge), car elle était moins concentrée. En conséquence, les parties externes des galaxies lointaines tournent plus lentement que les régions comparables des galaxies de l'Univers local. Crédit image : ESO / L. Calçada.

Nous voyons la matière baryonique (normale) sous la forme d'étoiles brillantes, de gaz brillant et de nuages ​​de poussière. Mais la matière noire n'émet pas, n'absorbe ni ne réfléchit la lumière et ne peut être observée que via ses effets gravitationnels.

La présence de matière noire peut expliquer pourquoi les parties externes des galaxies spirales voisines tournent plus rapidement que prévu si seule la matière normale que nous pouvons voir directement était présente.

Maintenant, le Dr Reinhard Genzel de l'Institut Max Planck de physique extraterrestre et ses co-auteurs ont utilisé le spectrographe multi-objets en bande K (KMOS) et le spectrographe pour les observations de champ INT dans le proche infrarouge (SINFONI) du VLT pour mesurer la rotation de six galaxies massives formant des étoiles dans l'Univers lointain, au sommet de la formation des galaxies il y a 10 milliards d'années.

Ce que l'équipe a découvert était intrigant : contrairement aux galaxies spirales de l'Univers moderne, les régions externes de ces galaxies lointaines semblent tourner plus lentement que les régions plus proches du noyau, ce qui suggère qu'il y a moins de matière noire que prévu.

"Étonnamment, les vitesses de rotation ne sont pas constantes, mais diminuent plus loin dans les galaxies", a déclaré le Dr Genzel.

« Il y a probablement deux causes à cela », a-t-il ajouté.

"Premièrement, la plupart de ces premières galaxies massives sont fortement dominées par la matière normale, la matière noire jouant un rôle beaucoup plus petit que dans l'univers local."

"Deuxièmement, ces premiers disques étaient beaucoup plus turbulents que les galaxies spirales que nous voyons dans notre voisinage cosmique."

Les deux effets semblent s'accentuer à mesure que les astronomes remontent de plus en plus loin dans le temps, dans l'Univers primitif.

Cela suggère que 3 à 4 milliards d'années après le Big Bang, le gaz dans les galaxies s'était déjà efficacement condensé en disques plats et rotatifs, tandis que les halos de matière noire qui les entouraient étaient beaucoup plus gros et plus étalés.

Apparemment, il a fallu des milliards d'années de plus pour que la matière noire se condense également, de sorte que son effet dominant n'est visible que sur les vitesses de rotation des disques des galaxies aujourd'hui.

Cette explication est cohérente avec les observations montrant que les premières galaxies étaient beaucoup plus riches en gaz et compactes que les galaxies d'aujourd'hui.

Philippe Lang et al. 2017. Courbes de rotation externe descendante des galaxies en formation d'étoiles à 0,6 < z < 2,6 sondées avec KMOS 3D et SINS/zC-SINF.


“Clé pour comprendre l'univers”–L'étrange histoire des galaxies manquant de matière noire

« La matière noire détient la clé pour comprendre l'univers », explique l'astrophysicien Paul Davies. "Après le big bang qui a créé l'univers il y a 13,7 milliards d'années, la matière s'est propagée en douceur dans l'espace, mais aidée par le pouvoir gravitationnel de la composante sombre, la matière ordinaire a été entraînée en amas, qui ont ensuite évolué en galaxies qui ont engendré des étoiles, des , dans un cas au moins que nous connaissons, la vie.

L'observation de Davies, partagée par la plupart des scientifiques, a peut-être été bouleversée par la découverte en novembre 2019 par des astronomes des observatoires astronomiques nationaux de l'Académie chinoise des sciences (NAOC), de l'Université de Pékin et de l'Université Tsinghua qui, en cherchant le ciel pour les galaxies encore inconnues qui semblent manquer du composant habituel de la matière noire, a identifié 19 galaxies qui pourraient violer la théorie la plus fondamentale de la formation initiale de l'univers.

Confond le modèle standard de formation de galaxies

"Ce résultat est très difficile à expliquer en utilisant le modèle standard de formation des galaxies", a déclaré l'auteur principal Qi Guo de l'Académie chinoise des sciences dans un communiqué de presse sur la population spéciale de galaxies naines qui pourraient principalement être constituées de baryons dans des rayons allant jusqu'à à des dizaines de milliers d'années-lumière. Cela contraste avec l'attente normale selon laquelle de telles régions devraient plutôt être dominées par la matière noire.

Dans la cosmologie standard, l'Univers est dominé par la matière noire froide et l'énergie noire, tandis que les baryons n'occupent que 4,6% en masse. Les galaxies se forment et évoluent dans des systèmes dominés par la matière noire. Dans les systèmes de masse élevée, la fraction baryonique peut atteindre la valeur universelle, c'est-à-dire 4,6 %. Dans les systèmes de faible masse, la fraction baryonique peut être beaucoup plus faible en raison de leur potentiel gravitationnel peu profond.

Les galaxies naines satellites de notre Groupe Local sont dominées par la matière noire jusqu'à des rayons de quelques milliers d'années-lumière. Cependant, les études statistiques de la dynamique des galaxies naines au-delà du Groupe Local avaient été précédemment entravées par l'extrême faiblesse de ces systèmes. mais les données multi-longueurs d'onde ont récemment rendu de telles études possibles, cependant.

En profitant de la publication de 40% des données du catalogue Arecibo Legacy Fast (ALFA) et de la septième publication des données du Sloan Digital Sky Survey, un groupe de recherche dirigé par le professeur Guo Qi du NAOC a trouvé 19 galaxies naines qui sont dominés par des baryons à des rayons bien au-delà de leurs demi-rayons optiques (généralement quelques milliers d'années-lumière). Normalement, le rapport de masse matière noire/baryon atteint 10-1000 pour les galaxies naines «typiques». Notamment, la plupart de ces galaxies naines dominées par le baryon sont des galaxies isolées, exemptes de l'influence des galaxies brillantes voisines et des environnements à haute densité.

"Ce résultat est très difficile à expliquer en utilisant le modèle standard de formation des galaxies dans le contexte de la cosmologie de concordance, et encourage ainsi les gens à revisiter la nature de la matière noire", a déclaré le professeur GUO.

Au lieu du modèle standard de matière noire froide, un modèle de matière noire chaude ou un modèle de matière noire floue pourrait être plus conforme à la formation de cette population particulière de galaxies naines. Alternativement, certains processus astrophysiques extrêmes peuvent également être responsables.
D'autres observations sont nécessaires pour comprendre la formation de ces galaxies naines dominées par les baryons.

"Nous pensions que chaque galaxie avait de la matière noire et que la matière noire est la façon dont une galaxie commence", a déclaré Pieter van Dokkum, professeur d'astronomie de la famille Sol Goldman de Yale et auteur principal de l'étude de 2018 dans la revue Nature suggérant que la galaxie montre pour le première fois que la matière noire n'est pas toujours associée à la matière traditionnelle à l'échelle galactique, écartant plusieurs théories actuelles selon lesquelles la matière noire n'est pas une substance mais simplement une manifestation des lois de la gravité à l'échelle cosmique.

"Cette substance invisible et mystérieuse est l'aspect le plus dominant de toute galaxie", a déclaré van Dokkum. "Donc, trouver une galaxie sans elle est inattendu. Cela remet en question les idées standard sur la façon dont nous pensons que les galaxies fonctionnent, et cela montre que la matière noire est réelle. Il a sa propre existence séparée des autres composants des galaxies. Ce résultat suggère également qu'il peut y avoir plus d'une façon de former une galaxie. »

Les indices de Hubble résolvent le mystère de la "perturbation des marées"

Les nouvelles données 2020 du télescope spatial Hubble expliquent la raison de la disparition de la matière noire dans NGC 1052-DF4, qui réside à 45 millions d'années-lumière de la Terre. Astronomers discovered that the missing enigmatic matter can be explained by the effects of tidal disruption from gravity forces of the neighboring massive galaxy NGC 1035 that are stripping NGC 1052-DF4 of dark matter. while the stars feel the effects of the interaction with another galaxy at a later stage.

The discovery of evidence to support the mechanism of tidal disruption as the explanation for the galaxy’s missing dark matter has not only solved an astronomical conundrum, but has also brought a sigh of relief to astronomers. Without it, scientists would be faced with having to revise our understanding of the laws of gravity.

“This discovery reconciles existing knowledge of how galaxies form and evolve with the most favorable cosmological model,” said Mireia Montes of the University of New South Wales in Australia who led an international team of astronomers to study the galaxy using deep optical imaging. They discovered that the missing dark matter can be explained by the effects of tidal disruption.

Until now, said Montes the removal of dark matter in this way has remained hidden from astronomers as it can only be observed using extremely deep images that can reveal extremely faint features. “We used Hubble in two ways to discover that NGC 1052-DF4 is experiencing an interaction,” explained Montes. “This includes studying the galaxy’s light and the galaxy’s distribution of globular clusters.”

At the end of the day, the nature of dark matter remains a huge unsolved enigma. “The nature of dark matter is one of the biggest mysteries in science and we need to use any related new data to tackle it,” says astronomer Avi Loeb with the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Image credit: top of page shows that dark matter in the universe is distributed as a network of gigantic dense (white) and empty (dark) regions, where the largest white regions are about the size of several Earth moons. Van Waerbeke/Heymans/CFHTLens collaboration.

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