Astronomie

Hypothèse de la matière noire et lumière visible

Hypothèse de la matière noire et lumière visible

La matière noire est supposée car la masse basée sur les observations gravitationnelles est beaucoup plus élevée que celle observée en mesurant la luminosité d'une galaxie.

Pourquoi ne se pourrait-il pas que plusieurs étoiles de la galaxie lointaine soient en ligne droite, se bloquant les unes les autres et que la luminosité des étoiles cachées ne puisse donc pas être mesurée ? De la même manière que lors d'une éclipse solaire, le soleil n'est pas visible derrière la lune ? Certes, la lune est beaucoup plus proche que le soleil et bloque la majeure partie du soleil, mais cumulativement, la luminosité de plusieurs étoiles dans la ligne de mire ne s'additionnerait pas.


Belle pensée, mais comme le dit le proverbe, l'espace est vraiment grand. Les étoiles ont une petite taille angulaire lorsqu'elles sont vues même de leurs voisins les plus proches (sauf peut-être dans les amas et les noyaux de galaxies), donc peu de lumière stellaire est réellement interceptée par d'autres étoiles, par rapport à la quantité de lumière qui est absorbée par le gaz interstellaire (ou intergalactique) et de la poussière.

Et même cette lumière absorbée n'est pas réellement perdue : elle augmente l'énergie cinétique et la température du gaz et de la poussière. Ainsi, une partie de l'énergie est réémise à une fréquence plus basse, généralement sous forme de rayonnement infrarouge ou micro-ondes. En examinant le spectre de ce rayonnement, nous pouvons déterminer sa température et utiliser des techniques Doppler pour estimer l'énergie cinétique du gaz et de la poussière.

Lorsqu'une étoile intercepte la lumière d'une autre étoile, l'énergie lumineuse n'est pas détruite. Une partie de la lumière est effectivement réfléchie, le reste de l'énergie est assimilée par l'atmosphère de l'étoile réceptrice, où elle contribuera aux propres émissions lumineuses de l'étoile réceptrice.

Les astrophysiciens tiennent compte de ces éléments lorsqu'ils évaluent la luminosité des galaxies. Beaucoup de gens ont essayé toutes sortes d'hypothèses alternatives à la matière noire, mais jusqu'à présent, la matière noire est la meilleure explication que nous ayons.


Pour compléter la réponse de PM 2Ring, il y a aussi le phénomène de microlentille.

Le fait est que les étoiles ne restent pas immobiles dans le ciel. Ils bougent. Notre Soleil par exemple se déplace autour du centre de la Voie Lactée. Par conséquent, même si deux étoiles sont complètement alignées en ce moment, elles ne l'étaient pas dans le passé et ne le seront probablement pas à l'avenir. Dans ces scénarios, la première étoile devrait capter la lumière de la deuxième étoile, et nous devrions détecter les variations qui indiquent qu'il y a une étoile derrière elle. Ces événements de microlentille sont activement étudiés car ils constituent un excellent moyen de trouver des exoplanètes. Si la matière noire manquante est en fait d'autres étoiles, elles auraient dû être détectées.

Il y a aussi des raisons beaucoup plus techniques qui expliquent pourquoi la fraction de baryons dans l'univers est d'environ 5%. Vous pouvez en savoir plus à ce sujet, par exemple, dans cette section de l'article de Wikipédia sur la matière noire. Cette contrainte limite également le nombre total d'étoiles qu'il pourrait y avoir dans l'univers.


La matière noire à interaction automatique aide à expliquer la formation de galaxies déficientes en matière noire

La théorie de la matière noire à interaction automatique permet d'expliquer pourquoi NGC 1052-DF2 et NGC 1052-DF4, une paire de galaxies ultra-diffuses situées à environ 65 millions d'années-lumière de la constellation de Cetus, contiennent peu de matière noire.

Le télescope spatial NASA/ESA Hubble a pris cette image de NGC 1052-DF2 le 16 novembre 2017. Crédit image : NASA/ESA/P. van Dokkum, Yale University.

La théorie dominante de la matière noire, connue sous le nom de matière noire froide, ou CDM, suppose que les particules de matière noire sont sans collision, à part la gravité.

Une théorie plus récente, appelée matière noire à interaction automatique, ou SIDM, propose que les particules de matière noire interagissent elles-mêmes à travers une nouvelle force noire.

Les deux théories expliquent comment la structure globale de l'Univers émerge, mais elles prédisent différentes distributions de matière noire dans les régions internes d'une galaxie.

SIDM suggère que les particules de matière noire entrent en collision les unes avec les autres dans le halo interne d'une galaxie, près de son centre.

Typiquement, une galaxie visible est hébergée par un halo de matière noire invisible. Des observations récentes de NGC 1052-DF2 et NGC 1052-DF4 (DF2 et DF4 en abrégé) montrent cependant que ces galaxies ultra-diffuses contiennent très peu, voire aucune, de matière noire.

« On pense généralement que la matière noire domine la masse globale d'une galaxie », a déclaré le Dr Hai-Bo Yu, chercheur au Département de physique et d'astronomie de l'Université de Californie à Riverside.

"Les observations de DF2 et DF4 montrent, cependant, que le rapport de leur matière noire à leurs masses stellaires est d'environ 1, ce qui est 300 fois plus faible que prévu."

"Pour résoudre l'écart, nous avons considéré que les halos DF2 et DF4 pourraient perdre la majorité de leur masse à cause des interactions de marée avec la galaxie massive NGC 1052."

Cette image de Hubble montre la galaxie ultra-diffuse NGC 1052-DF4, les objets mis en évidence sont des amas globulaires. Crédit image : van Dokkum et al, doi : 10.3847/2041-8213/ab0d92.

À l'aide de simulations sophistiquées, le Dr Yu et ses collègues de l'Université de Tsinghua ont reproduit les propriétés de DF2 et DF4 par arrachement par marée - l'enlèvement de matière par les forces de marée galactiques - par NGC 1052.

Parce que les galaxies satellites ne peuvent pas contenir la masse dépouillée avec leurs propres forces gravitationnelles, elle s'ajoute effectivement à la masse de NGC 1052.

Les chercheurs ont examiné à la fois les scénarios CDM et SIDM et ont découvert que ce dernier scénario forme des galaxies déficientes en matière noire beaucoup plus favorablement que le CDM, car la perte de masse de marée du halo interne est plus importante et la distribution stellaire est plus diffuse dans le SIDM.

"Une perte de masse de marée pourrait se produire dans les halos CDM et SIDM", a déclaré le Dr Yu.

« Dans le CDM, la structure du halo interne est « rigide » et résiliente à l'arrachement des marées, ce qui rend difficile pour un halo CDM typique de perdre une masse interne suffisante dans le champ de marée pour accueillir les observations de DF2 et DF4."

« En revanche, dans le SIDM, les auto-interactions de la matière noire pourraient pousser les particules de matière noire des régions intérieures vers les régions extérieures, rendant le halo intérieur « plus moelleux » et améliorant la perte de masse de marée en conséquence. De plus, la distribution stellaire devient plus diffuse.

"Un halo CDM typique reste trop massif dans les régions intérieures même après l'évolution des marées."

Les travaux de l'équipe ont été publiés dans la revue Lettres d'examen physique.

Daneng Yang et al. 2020. La matière noire à interaction automatique et l'origine des galaxies ultradiffuses NGC1052-DF2 et -DF4. Phys. Rév. Lett 125 (11) : 111105 doi : 10.1103/PhysRevLett.125.111105


La distribution des galaxies pourrait-elle révéler la toile invisible de matière noire de l'univers ?

Des chercheurs du département d'astronomie de la BU ont découvert que de grandes galaxies bleues comme celle-ci sont entourées d'un réseau déséquilibré de galaxies satellites plus petites en orbite autour d'elles. Les résultats pourraient avoir des implications pour notre compréhension de la matière noire. Crédit : Sloan Digital Sky Survey

Si, en vous tenant debout dans l'hémisphère sud, vous deviez regarder dans un ciel nocturne clair, l'astronome de l'Université de Boston, Tereasa Brainerd, dit que vous pourriez peut-être distinguer deux points lumineux dans le ciel qui composent les nuages ​​de Magellan. Sauf que ce ne sont pas du tout des nuages, ce sont deux petites galaxies en orbite autour de notre propre, plus grande galaxie de la Voie lactée. À l'œil nu, les nuages ​​de Magellan sont les plus faciles à voir des près de 70 galaxies satellites prises dans l'étoupe gravitationnelle de la Voie lactée.

Dans tout l'univers, les galaxies satellites orbitent autour des galaxies hôtes, et des scientifiques comme Brainerd, qui étudie ces systèmes cosmiques depuis des années, soupçonnent actuellement que les satellites sont probablement situés à l'intérieur de halos de matière noire qui s'étendent au-delà du périmètre des galaxies hôtes. Mais comme la matière noire n'est pas visible, l'idée n'a pas encore été prouvée en tant qu'aspect de ce que les scientifiques appellent la «théorie de la matière noire froide».

Brainerd dit que les modèles de la théorie de la matière noire froide font un excellent travail pour reproduire les observations que nous voyons lorsque nous regardons l'univers. La théorie repose sur l'idée que la majeure partie de l'univers est composée de particules fondamentales, appelées particules massives à interaction faible (WIMP) ou axions, et que la présence de ces particules explique pourquoi certains corps cosmiques ont été observés se déplaçant à des vitesses extrêmement élevées qui semblent défier notre compréhension de la gravité.

"Il existe de nombreuses preuves d'observation qui indiquent l'une des deux choses suivantes : soit la loi de la gravité de Newton est fausse, soit il doit y avoir beaucoup de matière noire dans l'univers", déclare Brainerd, associé du BU College of Arts & Sciences. professeur d'astronomie, qui utilise des données d'observation et théoriques pour rechercher des structures de matière noire dans l'univers.

Maintenant, elle fait équipe avec Adam Samuels, chercheur diplômé en astronomie de la BU, dans le cadre d'une mission consistant à utiliser les galaxies satellites pour révéler de nouvelles informations sur la localisation de la matière noire. « Si vous voulez comprendre les formes des halos de matière noire entourant les grandes galaxies lumineuses, vous devez regarder quelque chose qui est réellement visible et qui pourrait également tracer les formes des halos », explique Brainerd. Les galaxies satellites, pensaient-ils, ne sont que le ticket.

Une énigme cosmique

"Notre hypothèse était que les galaxies satellites devraient tracer approximativement les formes des halos de matière noire", explique Brainerd. Dans ce cas, si les galaxies hôtes sont en fait situées au centre des halos de matière noire, les chercheurs s'attendaient à trouver des galaxies satellites réparties uniformément autour de leurs hôtes selon un motif elliptique.

Ici, une galaxie hôte est entourée de trois galaxies satellites. L'astronome de la BU Adam Samuels dit qu'une explication possible pour laquelle les galaxies hôtes sont entourées de groupements unilatéraux de galaxies satellites est que les satellites peuvent être en orbite autour de l'hôte en coordination les uns avec les autres, comme un groupe de planètes en orbite autour d'une étoile. Crédit : Sloan Digital Sky Survey

Ils ont entrepris d'examiner de grandes galaxies hôtes brillantes qui sont isolées, ce qui signifie qu'elles n'ont pas d'autres galaxies aussi grandes et brillantes à proximité. En analysant un catalogue d'images de galaxies hôtes isolées à proximité, disponibles via le NASA-Sloan Atlas d'imagerie du Sloan Digital Sky Survey, Brainerd et Samuels ont été surpris de trouver un nombre important d'entre elles entourées de distributions déséquilibrées de galaxies satellites. Les chercheurs ont rapporté leurs découvertes dans un article en cours d'examen par Lettres de revues astrophysiques.

« Si toutes les galaxies hôtes vivent au centre de la matière noire elliptique, vous vous attendriez à ce que les galaxies satellites soient distribuées symétriquement, avec à peu près autant de satellites de chaque côté de la galaxie hôte », explique Brainerd. "Mais ce que nous avons trouvé, surtout lorsque vous regardez les satellites des galaxies hôtes bleues, c'est qu'il y a environ 50% de galaxies satellites en plus d'un côté de l'hôte qu'il y en a de l'autre côté."

Les galaxies bleues sont ainsi appelées parce qu'elles émettent de la lumière dans le spectre visible bleu, la couleur de la lumière provenant de très jeunes étoiles de moins de deux millions d'années, explique Brainerd. "Toute galaxie bleue fabrique activement des étoiles", dit-elle. Les grandes galaxies bleues sont principalement des galaxies spirales avec de nombreux bras, comme notre propre Voie lactée. "Si vous pouviez regarder la Voie lactée, vous verriez qu'elle est jaunâtre au centre, entourée d'un disque bleu et de bras en spirale, où elle forme activement des étoiles."

En revanche, les galaxies émettant de la lumière rouge sont, en termes simples d'astronome, mortes.

"Une galaxie qui nous apparaît rouge est une galaxie qui n'a plus ou peu de gaz - elle ne peut pas faire de nouvelles étoiles", explique Brainerd. "Il aurait eu du gaz dans le passé, et il aurait été plus bleu si nous avions pu le voir dans l'histoire passée de l'univers. À moins qu'une galaxie ne puisse reconstituer son gaz, elle devient de plus en plus rouge. Les galaxies rouges, ou « mortes », sont généralement de forme elliptique.

Éclairer la voie à de nouvelles questions

Brainerd et Samuels ont découvert que les galaxies bleues et rouges ont tendance à avoir des distributions plus déséquilibrées que les distributions symétriques des galaxies satellites. Mais alors que l'asymétrie n'est que légèrement plus probable pour les hôtes rouges, les hôtes bleus avaient tendance à avoir nettement plus de réseaux unilatérales de galaxies satellites.

"Ces distributions déséquilibrées de galaxies satellites pourraient signifier que nous voyons des galaxies relativement jeunes, des arrivées récentes qui n'ont pas encore orbité autour de leurs galaxies hôtes principales [et stabilisé leur orbite]", explique Brainerd.

Contrairement aux galaxies bleues, qui produisent toujours activement des étoiles, les galaxies rouges sont "mortes", ce qui signifie qu'elles sont à court de gaz pour générer plus d'étoiles. On pense que les systèmes galactiques qui entourent les grandes galaxies rouges sont beaucoup plus anciens que les systèmes galactiques qui entourent les grandes galaxies bleues, ce qui pourrait expliquer pourquoi les hôtes rouges sont moins susceptibles d'avoir une distribution aussi asymétrique des galaxies satellites que les hôtes bleus. Crédit : Sloan Digital Sky Survey

"Les galaxies satellites peuvent ne pas être des traceurs précis des halos de matière noire dans les cas où elles ont récemment rejoint le système hôte-satellite et ne sont pas encore parvenues à l'équilibre", convient Samuels. « C'est peut-être ce que nous voyons dans le cas des satellites de jeunes galaxies hôtes bleues. Une autre possibilité est qu'un groupe de satellites soit en orbite autour de l'hôte en coordination les uns avec les autres, comme un groupe de planètes en orbite autour d'une étoile », ajoute-t-il.

Cela pourrait également signifier que les halos de matière noire sont de forme irrégulière, ce qui expliquerait pourquoi les galaxies satellites semblent être si inégalement réparties autour de leurs hôtes.

Les découvertes incitent maintenant l'équipe à poser de nouvelles questions sur la façon dont la matière noire est distribuée dans l'univers et comment les galaxies sont positionnées dans la toile cosmique noire. Pour approfondir leurs recherches, Brainerd et Samuels recherchent un financement de la National Science Foundation pour trouver plus de systèmes de galaxies hôtes et satellites pour l'observation et l'analyse à l'aide du télescope Lowell Discovery dans le nord de l'Arizona, dont BU est un partenaire capital. L'équipe prévoit également d'utiliser une simulation de formations de galaxies, appelée IllustrisTNG, pour examiner l'influence de la matière noire froide sur la distribution des galaxies satellites.

« Une simulation est un excellent outil car elle nous permet non seulement de comparer nos observations aux prédictions théoriques, mais nous permet également de voir directement la matière noire, ce qui nous donne vraiment une idée de la situation dans son ensemble », explique Samuels.

"C'est l'une des simulations les meilleures et les plus réalistes des formations de galaxies", explique Brainerd. « Il a été élaboré par des chercheurs principalement du MIT, de Harvard et du Max Planck Institute for Astrophysics. L'IllustrisTNG est la simulation parfaite pour nous, et nous devrions pouvoir le faire dès cet été.


Univers en expansion

L'énergie noire est encore plus mystérieuse, et sa découverte dans les années 1990 a été un choc complet pour les scientifiques. Auparavant, les physiciens avaient supposé que la force d'attraction de la gravité ralentirait l'expansion de l'univers au fil du temps. Mais lorsque deux équipes indépendantes ont essayé de mesurer le taux de décélération, elles ont constaté que l'expansion s'accélérait en fait. Un scientifique a comparé la découverte au fait de jeter un jeu de clés en l'air en s'attendant à ce qu'elles retombent, pour les voir voler directement vers le plafond.

Les scientifiques pensent maintenant que l'expansion accélérée de l'univers est entraînée par une sorte de force répulsive générée par les fluctuations quantiques dans un espace par ailleurs « vide ». De plus, la force semble devenir de plus en plus forte à mesure que l'univers s'étend. Faute d'un meilleur nom, les scientifiques appellent cette force mystérieuse énergie noire.

Contrairement à la matière noire, les scientifiques n'ont aucune explication plausible pour l'énergie noire. Selon une idée, l'énergie noire est un cinquième type de force fondamentale, jusqu'alors inconnu, appelé quintessence, qui remplit l'univers comme un fluide.

De nombreux scientifiques ont également souligné que les propriétés connues de l'énergie noire sont cohérentes avec une constante cosmologique, un pansement mathématique qu'Albert Einstein a ajouté à sa théorie de la relativité générale pour faire correspondre ses équations à la notion d'univers statique. Selon Einstein, la constante serait une force répulsive qui contrecarrerait la gravité, empêchant l'univers de s'effondrer sur lui-même. Einstein a ensuite rejeté l'idée lorsque des observations astronomiques ont révélé que l'univers était en expansion, qualifiant la constante cosmologique de "plus grande erreur".

Maintenant que nous voyons que l'expansion de l'univers s'accélère, l'ajout d'énergie noire en tant que constante cosmologique pourrait parfaitement expliquer comment l'espace-temps est étiré. Mais cette explication laisse toujours les scientifiques dans l'ignorance de la raison pour laquelle cette force étrange existe en premier lieu.


Hypothèse de la matière noire et lumière visible - Astronomie

Contenu de masse de l'univers

Ce diagramme circulaire montre les proportions relatives (en masse) de matière ordinaire, de matière noire et d'énergie noire dans l'univers, selon une estimation récente de l'équipe WMAP de la NASA. Les données WMAP ne sont précises qu'à deux chiffres, le total n'est donc pas à 100 %.

Les trous noirs sont en effet étranges, mais ce ne sont pas les choses les plus mystérieuses qui habitent le cosmos. Au cours des dernières décennies, les astronomes et les cosmologistes ont réalisé de façon surprenante que les objets visibles comme les étoiles, les planètes et les nébuleuses ne représentent qu'une petite fraction de la masse d'une galaxie, et que les galaxies ne représentent qu'une fraction de la masse de la galaxie. univers. La majeure partie de la masse d'une galaxie est constituée de substances non identifiées appelées , et la majeure partie de la masse de l'univers dans son ensemble provient d'une force inconnue (l'énergie noire, qui sera présentée à la page suivante). Comme les trous noirs, ces entités mystérieuses n'ont pas été observées directement, elles manifestent leur présence en influençant les mouvements des étoiles et autres objets visibles.

Des preuves convaincantes de l'existence de la matière noire sont d'abord venues de l'observation de la rotation d'une galaxie spirale. Les astronomes s'attendaient à ce que le mouvement des étoiles dans une galaxie soit analogue au mouvement des planètes de notre système solaire : plus un objet est éloigné du centre, plus son orbite est lente. Par exemple, Mercure file autour du soleil à une vitesse moyenne de 47 km/s, tandis que Neptune rampe à un rythme relativement lent de seulement 5,4 km/s. De même, les étoiles proches du milieu d'une galaxie devraient se déplacer plus rapidement que les étoiles proches du périmètre le plus externe. Du moins, c'est ce à quoi nous nous attendrions, étant donné que la plupart des choses visibles dans une galaxie (étoiles, nébuleuses, etc.) sont concentrées dans la région dense et lumineuse des étoiles et du gaz au centre de la galaxie. Si la majeure partie de la masse d'une galaxie se trouve dans le renflement central, alors les étoiles juste à l'extérieur du renflement devraient orbiter rapidement autour du renflement, tandis que les étoiles plus éloignées du renflement devraient orbiter plus lentement. Étonnamment, cependant, les étoiles proches du périmètre le plus externe d'une galaxie spirale se déplacent à peu près à la même vitesse que les étoiles proches du renflement central !

mesurer la rotation des galaxies
avec redshift et blueshift

Si la majeure partie de la masse d'une galaxie se trouve dans son renflement central, alors les étoiles proches du renflement devraient orbiter plus rapidement que les étoiles plus éloignées. Pour tester cette hypothèse, les astronomes ont mesuré le décalage Doppler de la lumière des étoiles des galaxies spirales voisines qui sont orientées latéralement du point de vue de la Terre. Au fur et à mesure que la galaxie tourne, les étoiles d'un côté s'éloignent de nous, donc leur lumière est décalée vers le rouge. Les étoiles de l'autre côté se dirigent vers nous et leur lumière est décalée vers le bleu. (Dans cette image, le décalage vers le rouge et le décalage vers le bleu ont été artificiellement exagérés. La quantité réelle de décalage Doppler est trop subtile pour être détectée par l'œil humain, mais des spectromètres sensibles peuvent la mesurer.) En mesurant le décalage vers le rouge ou le bleu des étoiles à une distance donnée de un centre galactique, les astronomes peuvent déterminer les vitesses de leurs orbites.

Comment est-ce possible? L'explication la plus simple est que la majeure partie de la masse d'une galaxie est ne pas dans son renflement central. Bien que le visible la masse est principalement concentrée dans le renflement, les galaxies sont entourées de beaucoup de masse supplémentaire que nous pouvons voir. Pour tenir compte des orbites des étoiles dans une galaxie spirale typique, la masse supplémentaire doit remplir et entourer toute la galaxie dans un &ldquhalo.&rdquo à peu près sphérique. Un essaim d'objets sombres ou de particules invisibles, avec des orbites orientées au hasard, ferait l'affaire. Ces objets ou particules hypothétiques sont appelés "matière noire" parce que nous ne pouvons pas les voir.

Alors, de quoi est faite la matière noire ? Cette question reste sans réponse, mais de nombreuses hypothèses ont été avancées. L'une des premières idées était que la matière noire se compose de . Selon cette hypothèse, les galaxies sont entourées d'un &ldquohalo&rdquo d'objets massifs qui émettent peu ou pas de lumière. Ces objets peuvent inclure des trous noirs, des étoiles à neutrons, des étoiles naines brunes, des astéroïdes, etc. Divers types d'objets massifs et compacts comme ceux-ci existent dans notre propre galaxie, et vraisemblablement ils existent aussi dans d'autres galaxies. Cependant, des observations récentes indiquent qu'il existe presque assez de MACHO pour expliquer les orbites des étoiles dans une galaxie. À moins que nous n'ayons largement sous-estimé le nombre de MACHO, la matière noire doit donc être constituée d'autre chose.

Une hypothèse plus populaire suggère que la matière noire est constituée de particules microscopiques non découvertes. Ces particules doivent avoir une masse, afin d'influencer les mouvements des étoiles avec leur gravité, mais elles n'interagissent pas avec la matière ordinaire ou avec la lumière. Puisqu'elles ont une masse et n'interagissent avec la matière que par la faible influence de la gravité, ces particules hypothétiques sont appelées . Selon l'hypothèse WIMP, chaque galaxie est remplie et entourée de ces particules inconnues, qui sont largement plus nombreuses que les particules de matière ordinaire. Des milliards de WIMPs circulent peut-être à travers nous en ce moment, mais nous pouvons les voir ou les ressentir.

Malheureusement, aucune particule dans le modèle standard de la physique des particules n'a les propriétés que les WIMP doivent avoir pour jouer le rôle de la matière noire. Une extension spéculative du modèle standard&mdashin en particulier, une théorie appelée supersymétrie&mdash inclut des particules qui pourraient agir comme des WIMPs. Jusqu'à présent, cependant, les physiciens ont été incapables de trouver des preuves directes de la supersymétrie ou des particules qu'elle postule.

D'autres candidats possibles à la matière noire ont également été proposés. La plupart sont similaires à l'hypothèse WIMP : ils impliquent des particules non découvertes qui interagissent avec la matière ordinaire par gravité. Les exemples incluent les axions, les neutrinos stériles et les GIMP. Toutes ces hypothèses sont cependant spéculatives. Pour l'instant, l'identité de la matière noire reste un mystère.

Bien que nous ne sachions pas de quoi est faite la matière noire, les preuves de son existence sont solides. En plus des mesures de la rotation des galaxies, d'autres observations ont confirmé que les galaxies contiennent plus de matière noire que de matière visible. Par exemple, le phénomène de lentille gravitationnelle fournit un moyen de mesurer la masse totale d'une galaxie, et les galaxies mesurées de cette manière ont beaucoup plus de masse que la matière visible qu'elles contiennent.

Les modèles de matière noire les plus réussis font intervenir des particules "froides" dans le sens où leur vitesse moyenne est lente par rapport à la vitesse de la lumière. Comme mentionné précédemment, le modèle théorique principal de la cosmologie est le modèle &LambdaCDM, et les lettres &ldquoCDM&rdquo représentent &ldquoCold Dark Matter.&rdquo La lettre grecque &ldquo&Lambda&rdquo (lambda) représente la constante cosmologique, un nombre qui apparaît dans les équations de la théorie générale d'Einstein&rsquo de la relativité. La constante cosmologique est associée à une autre entité mystérieuse, l'énergie noire, que nous considérerons à la page suivante.


Rapport masse-lumière

Nous avons décrit l'utilisation du rapport masse-lumière pour caractériser la matière dans les galaxies ou les amas de galaxies dans Propriétés des galaxies. Pour les systèmes contenant principalement des étoiles anciennes, le rapport masse-lumière est généralement de 10 à 20, où la masse et la lumière sont mesurées en unités de masse et de luminosité du Soleil. Un rapport masse/lumière de 100 ou plus est un signal qu'une quantité substantielle de matière noire est présente. Le tableau 1 résume les résultats des mesures des rapports masse/lumière pour diverses classes d'objets. De très grands rapports masse-lumière sont trouvés pour tous les systèmes de la taille des galaxies et plus, indiquant que la matière noire est présente dans tous ces types d'objets. C'est pourquoi nous disons que la matière noire constitue apparemment la majeure partie de la masse totale de l'univers.

Tableau 1 : Rapports masse/lumière
Type d'objet Rapport masse-lumière
Soleil 1
Matière à proximité du Soleil 2
Masse totale dans la Voie Lactée 10
Petits groupes de galaxies 50–150
De riches amas de galaxies 250–300

Le regroupement de galaxies peut être utilisé pour dériver la quantité totale de masse dans une région donnée de l'espace, tandis que le rayonnement visible est un bon indicateur de l'endroit où se trouve la masse lumineuse. Des études montrent que la matière noire et la matière lumineuse sont très étroitement associées. Les halos de matière noire s'étendent au-delà des limites lumineuses des galaxies qu'ils entourent. Cependant, là où il y a de grands amas de galaxies, vous trouverez également de grandes quantités de matière noire. Les vides dans la distribution des galaxies sont également des vides dans la distribution de la matière noire.


La sombre histoire de la matière noire

La matière noire est l'un des grands mystères non résolus de l'astronomie moderne. Nous avons atteint le point où nous savons que la plupart de la matière dans le cosmos est constituée de matière qui interagit faiblement avec la lumière, voire pas du tout, mais qui entraîne une grande partie des interactions gravitationnelles entre les galaxies. Bien qu'elle soit souvent décrite comme une idée moderne ajoutée simplement aux observations en chausse-pied dans le modèle standard, elle a en réalité une histoire qui s'étend sur plus d'un siècle et la théorie de la matière noire a été affinée et améliorée au fur et à mesure que nous en apprenions davantage sur notre Univers.

Les origines de la matière noire remontent aux années 1600. Peu de temps après qu'Isaac Newton ait présenté sa théorie de la gravité universelle, certains astronomes ont commencé à spéculer sur l'existence d'objets qui pourraient émettre peu ou pas de lumière, mais pourraient encore être connus par leur traction gravitationnelle sur des objets brillants comme les étoiles et les planètes. Cette idée a été renforcée dans les années 1700 lorsque Pierre Laplace a soutenu que certains objets pourraient être suffisamment massifs pour piéger toute lumière qu'ils émettent (une idée simpliste d'un trou noir), et dans les années 1800, Urbain Le Verrier et John Couch Adams ont utilisé des anomalies gravitationnelles dans le mouvement d'Uranus pour prédire la présence de Neptune. À ce stade, les astronomes avaient démontré la présence de nébuleuses sombres, visibles uniquement par la lumière qu'elles absorbent des objets brillants situés derrière elles. Il était clair qu'il y avait plus dans l'Univers que ce qui pouvait être vu par la lumière visible.

Notre vision moderne de la matière noire en tant que contributeur majeur à la masse galactique peut être attribuée à Fritz Zwicky. En 1933, il étudia le mouvement des galaxies au sein de l'amas de Coma. L'amas de Coma est un superamas galactique contenant plus de 1 000 galaxies. Étant donné que ces galaxies sont liées gravitationnellement, la vitesse de ces galaxies peut fournir une mesure de la masse de l'amas. Fondamentalement, plus l'amas a de masse, plus la distribution des vitesses galactiques est large suivant une relation connue sous le nom de théorème du viriel. Quelques années plus tôt, Edwin Hubble avait estimé que l'amas de Coma contenait environ 800 galaxies, chacune contenant environ un milliard d'étoiles. En utilisant le théorème du viriel, Zwicky a calculé une masse d'amas plus de 500 fois plus grande que celle de Hubble. Zwicky a noté que si ses mesures étaient vraies, "la matière noire est présente en quantité beaucoup plus importante que la matière lumineuse". Au cours des deux décennies suivantes, le théorème du viriel a été appliqué à d'autres amas de galaxies avec des résultats similaires. Tout le monde n'a pas accepté ces résultats, en grande partie parce que le théorème du viriel est un calcul statistique qui dépend de certaines hypothèses. Par exemple, il suppose que les amas sont liés gravitationnellement. Peut-être que les galaxies de ces amas s'éloignent les unes des autres, de sorte que le théorème du viriel ne s'applique tout simplement pas. Mais il y avait une autre source de preuves pour soutenir la matière noire. Un qui ne pouvait pas être si facilement écarté.

La matière noire montre sa présence dans les grands amas galactiques comme Abell 1689. Crédit : HST, ACS, WFC, . [+] H. Ford (JHU)

Au début des années 1900, les astronomes ont commencé à examiner les spectres des galaxies. À partir de cela, ils ont pu déterminer les vitesses des étoiles en fonction de leur distance par rapport au centre galactique, connue sous le nom de courbe de rotation galactique. Vues en lumière visible, la plupart des galaxies ont un centre lumineux, qui s'atténue à mesure que vous vous éloignez du centre. Cela impliquerait que la plupart des étoiles (et donc la majeure partie de la masse) sont situées près du centre d'une galaxie. Si tel est le cas, on s'attendrait à ce que les étoiles éloignées du centre se déplacent beaucoup plus lentement que les étoiles proches du centre, tout comme dans notre système solaire, la Terre tourne beaucoup plus rapidement autour du Soleil que la lointaine Pluton. Lorsque Max Wolf et Vesto Slipher ont mesuré la courbe de rotation de la galaxie d'Andromède, ils ont découvert qu'elle était essentiellement plate, ce qui signifie que les étoiles se déplaçaient à la même vitesse quelle que soit leur distance par rapport au centre galactique. Une solution à ce mystère était qu'Andromède est entourée d'un halo de matière noire de sorte que sa masse n'est pas concentrée au centre. Alors que d'autres galaxies présentaient des courbes de rotation similaires, semblant soutenir la présence de matière noire, même Fritz Zwicky était sceptique. Le gaz et la poussière dans une galaxie pourraient exercer une sorte de traînée sur les étoiles en mouvement rapide, a-t-il soutenu, aplatissant ainsi les courbes de rotation. Mais dans les années 1950, la radioastronomie avait progressé au point de pouvoir détecter l'hydrogène monoatomique à travers la fameuse ligne de 21 centimètres. Les observations radio de la galaxie d'Andromède et de notre propre galaxie de la Voie lactée ont montré des courbes de rotation également plates. Puisque l'hydrogène est de loin l'élément le plus abondant dans l'Univers, les résultats ont prouvé que non seulement les étoiles, mais le gaz de toutes les nébuleuses sombres tournaient autour des galaxies à des vitesses similaires. Soit les galaxies contenaient une quantité importante de matière noire, soit notre compréhension de la gravité était très erronée.

Au fur et à mesure que les preuves de la matière noire augmentaient, il est vite devenu clair qu'il y avait un grave problème. En supposant que nos théories gravitationnelles soient correctes, la matière noire doit être beaucoup plus abondante que la matière lumineuse à la fois dans les galaxies et parmi les amas galactiques. Si cette matière noire consistait en des choses comme des nébuleuses sombres, leur présence devrait être détectable par la lumière qu'elles absorbent. Si tant de matière noire existe, elle ne doit pas seulement être non lumineuse, elle ne doit pas non plus absorber la lumière. Il ne peut pas s'agir simplement de matière ordinaire, froide et sombre, mais doit être quelque chose de très différent. C'était une idée tellement radiale que de nombreux astronomes ont remis en question la validité de la gravité newtonienne. Dans les années 1980, plusieurs modèles gravitationnels alternatifs, dont le plus célèbre était la dynamique newtonienne modifiée (MoND), proposé par Mordehai Milgrom. Alors que ces modèles fonctionnaient bien pour des choses comme les galaxies naines, ils fonctionnaient horriblement avec des choses comme les amas galactiques. Les modèles de matière noire n'étaient pas sans problèmes, mais ils s'accordaient plus facilement avec les observations.

La matière noire dans les galaxies en collision comme le Bullet Cluster nous montre comment se comporte la matière noire. Crédit: . [+] X-ray: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al. Lensing Map: NASA/STScI ESO WFI Magellan/U.Arizona/ D.Clowe et al. Optical: NASA/STScI Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.

In the past couple decades data gathered from gravitational lensing and deep sky surveys have allowed us to further refine our dark matter models. From the large scale distribution of galaxies we know that dark matter must be cold and slow moving, so the countless neutrinos that zip through the cosmos at nearly the speed of light cannot account for dark matter. From gravitational lensing we know the distribution of dark matter within galaxies. By observing the distribution of dark matter within colliding galaxies we know that not only does dark matter not interact with light, it also doesn't interact strongly with regular matter or itself. While this further verifies the existence of dark matter, it also makes it more difficult to determine just what dark matter is.

The most recent challenge for dark matter has been to determine its composition. The most popular idea is that they are Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs), but these particles should be detectible by the same experiments used to observe astrophysical neutrinos. So far, no evidence for these particles has been forthcoming. Direct efforts to detect dark matter have only served to eliminate our options for dark matter. After studying dark matter for more than a century, it continues to elude us.


Matière noire

What’s invisible, but bigger than anything we can see? It sounds like the beginning of a bad joke, and for physicists, that’s just what it is.

All our cosmological observations seem to suggest that normal matter we can see – the sort that makes up you, me, the planet we live on, the sun our planet orbits and the galaxy we all exist in – is far outweighed by mysterious matter we can’t. Yet despite researchers’ best efforts over decades to work out the nature of this “dark matter” – to find some clue direct or indirect as to what it’s made of, or even make it in the lab – we remain stumped.

The story of dark matter begins in the 1930s, when the Swiss astronomer Fritz Zwicky noticed that galaxies towards the edge of the Coma cluster of galaxies were rotating faster around the cluster’s centre than they should have been, given the amount of visible matter there was there. But the concept really started gaining traction with the work of the US astronomer Vera Rubin from the 1970s onwards, who showed a consistent effect of spiral galaxies rotating too fast for the amount of visible matter present. Without more gravitating stuff to hold them together, these galaxies should simply fly apart. Our latest calculations suggest that dark matter makes up over 80 per cent of all matter out there.

Along with dark energy – another, even more mysterious substance that seems to have some kind of “anti-gravity” effect, causing the universe’s expansion to accelerate – dark matter represents a major embarrassment for physicists. Together, these two unknowns mean that over 95 per cent of the universe is made up of stuff not categorised in the standard model of particle physics, our best theoretical picture of material reality.

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Not that we’re lacking in suggestions as to what might explain dark matter. Perhaps the most prevalent is that it is made up of an entirely new class of particles known as weakly interacting massive particles, or WIMPS, an invisible sea of which pervades galaxies. But if these particles exist, we should be able to make them by smashing together other particles, for example at the Large Hadron Collider near Geneva, Switzerland. You’d also expect these particles to be streaming through Earth – yet dedicated dark matter detectors, generally buried deep underground to screen out the effect of other cosmic particles, have not spotted them yet.

Another possibility is that dark matter is not WIMPs, but MACHOs. These Massive Astrophysical Compact Halo Objects are large bodies made of ordinary matter put together in unexpected ways that mean they don’t give off light. Very faint stars such as brown dwarfs, black holes and neutron stars have all been fingered as culprits, but it seems unlikely there are enough of these to account fully for the dark matter phenomenon.

A final, and controversial, suggestion is that dark matter doesn’t exist at all, and we’ve simply got our theories of gravity all wrong. But Einstein’s general theory of relativity, which governs gravity’s workings, is so good that this is a possibility few physicists are willing to countenance. Richard Webb


New dark matter map relied on the light from millions upon millions of galaxies

It’s hard for most of us to fathom that every star we see in the nighttime sky is another sun similar to our own. Scientists are discovering that around many of those stars are orbiting planets creating vast numbers of solar systems. There are other objects in the nighttime sky that we can’t see, including dark matter.

Dark matter is invisible and accounts for about 80 percent of the total matter in the universe. Scientists have been working hard for decades to learn as much as possible about dark matter and the role it plays in the universe as we know it. Scientists have now created the largest map of dark matter ever as part of the international Dark Energy Survey.

The team says it used AI methods to analyze images of 100 million galaxies, specifically looking at their shape to see if they had been stretched. Researchers on the project investigated spots of light made up of 10 or so pixels from the images to determine if they had been stretched at all. The new map represents all matter detected in the foreground of observed galaxies and covers about one-quarter of the sky as seen in the southern hemisphere.

Co-lead author of the study Dr. Niall Jeffrey says most of the matter in the universe is dark matter, and it’s challenging to get a glimpse of that matter in the nighttime sky. Structures are revealed using the distorted shapes of hundreds of millions of distant galaxies. The map created by the team shows predominantly dark matter, and scientists found a pattern that is similar to what we see with visible matter.

The study revealed a web-like structure with dense clumps of matter separated by large empty voids. Dark matter has not been directly observed, and its existence can only be inferred from galaxies that behave in ways that aren’t predicted. Scientists relied on gravitational lensing to create their map because it allows them to see visible and invisible matter. The team believes their study brings humanity closer to understanding what the universe is made of and how it evolves.


MOND Theory

MOND theory (MOdified Newtonian Dynamics), challenges the concept of dark matter and offers an explanation of the problem of flat rotation curve of spiral galaxies. MOND is based on a modification of Newton's second law at very low acceleration. However, some astronomical observations, especially the collision of galaxy clusters, contradict this theory. As we know today, the gas makes up most of the mass of a galaxy cluster. So when we see a cluster of galaxies we observe in reality the gas that composes the cluster, more than the stars in the clusters themselves.
The critical test of the theory of MOND is the collision of two clusters of galaxies that pass through themselves without even encounter because clusters of galaxies are dust grains in an empty vastness.
Here is the contradiction in the MOND theory.
In the theory of modified gravity, there is no dark matter, so let us imagine a collision between two clusters (top image). If there were no dark matter, the dominant matter of the cluster is gas. The collision of two clusters that pass through, we would show one side of the image, the ordinary matter that is to say the groups of stars of one of two clusters, and other side of the image, groups of stars of the other clusters. In the middle, we observe, between the two groups of galaxies, the accumulated gas in each cluster. Indeed the gas cloud of one cluster will interact with other cloud of the other clusters and will mix unlike the heavy matter (stars).
In the first case without dark matter (top), where most of the mass after the collision?
The mass is found in the central region, in the middle of the gas, since all of the gas is more massive than the total stars.

Now imagine the same experiment (bottom) where there is no gravity modified but the presence of dark matter. This time the dominant matter is the dark matter is that it focuses the majority of the mass, since dark matter is five times more massive than ordinary matter (stars and gas). On the second image, the bottom, dark matter is represented by gray bubbles.
When two clusters collide galaxies pass through, and the gas accumulates as in the previous example. And heavy dark matter will behave like ordinary matter of stars, it goes very little to interact and cross over the vastness of empty space to meet up with groups of stars on either side of the gas.
In the latter case the presence of dark matter, where is most of the mass after the collision? On either side of the gas where there is dark matter and not where there is gas as in the first case. We can see in this experiment that the presence of dark matter, or absence, as in MOND, gives different observations.
Proof of the presence of dark matter was brought by the observation of the cluster of Bullet.
By observing this cluster cosmologists come to rebuild the map of masses and observed that the masses are there where the galaxies and not where there is gas. This contradiction was resolved in the theory admitting the existence of a certain amount of dark matter in the form of neutrinos. Most of our universe is invisible.