Astronomie

En quoi la matière noire est-elle différente de la matière ordinaire (visible) ?

En quoi la matière noire est-elle différente de la matière ordinaire (visible) ?

En quoi la matière noire est-elle différente de la matière ordinaire (visible) ?

1) La matière noire est-elle constituée d'objets astronomiques invisibles comme des naines blanches, des trous noirs ?

2) La matière noire n'a-t-elle pas été directement observée ?

Existe-t-il une meilleure explication de la matière noire. Je ne pouvais pas comprendre complètement la différence entre la matière noire et la matière ordinaire.


Personne ne le sait avec certitude.

Ce qui est connu:

  • il interagit gravitationnellement
  • il n'interagit pas électromagnétiquement

"Sombre" ne veut pas dire "noir" ici, cela veut dire ici "invisible".

Il existe de nombreux calculs et théories, le plus populaire dit qu'il peut provenir des LSP (particules les moins supersymétriques).


Il existe certainement un et peut-être deux types de matière noire pour résoudre deux problèmes de matière noire.

Le premier problème de matière noire est que la plus grande partie de la matière gravitationnelle est noire. La majeure partie de la masse inférée qui semble être responsable de la dynamique gravitationnelle observée des structures à grande échelle comme les galaxies et les amas de galaxies ne peut pas être vue (c'est-à-dire qu'elle est sombre). C'est-à-dire que nous ne pouvons pas le détecter à travers la lumière visible ou toute autre onde électromagnétique.

Maintenant, il est possible que vous puissiez composer cette masse à partir d'étoiles de très faible masse, de naines blanches froides, de planètes, de trous noirs, de balles de golf perdues ou de toute autre forme de matière froide et non lumineuse. De tels objets (sauf peut-être les balles de golf) existent certainement, sont connus sous le nom de baryonique matière noire (car ils sont constitués de protons et de neutrons "normaux" - baryons), mais il est peu probable qu'il y en ait assez pour expliquer les observations.

Le deuxième problème est que la majeure partie de la matière noire doit être non baryonique. Ceci est déduit du manque de matière noire baryonique suffisamment plausible pour expliquer la dynamique des galaxies et des amas, mais aussi des estimations des abondances primordiales d'hélium, de deutérium et de lithium. La nucléosynthèse du big bang dépend de la densité de matière baryonique par rapport à l'univers dans son ensemble et il semble que la matière baryonique ne puisse être responsable que d'un cinquième de la matière noire.

Ainsi, la majeure partie de la matière noire est supposée être une substance non baryonique, probablement sous la forme de particules qui n'interagissent pas via l'interaction électromagnétique et donc n'émettent ni n'absorbent de lumière.


Lis Avant le Big Bang (1997) d'Ernest Sternglass. La réponse courte est qu'un gros morceau de "matière noire" est la source d'un quasar.

La théorie « non standard » et donc controversée présentée dans ce livre dit que la plupart des « matières noires » pourraient être
« des fragments de l'atome primitif d'origine [du modèle de Georges Lemaître --- veuillez le rechercher sur Google si vous en avez besoin] éjectés à de grandes distances dans le « mini-Bang » explosif qui devait accompagner la formation de chaque structure cosmologique [c'est-à-dire chaque lune , planète, étoile, galaxie, etc.] dans un modèle de type Lemaitre… l'existence de quasars et de noyaux actifs de galaxies sur une large gamme de distances indiquait qu'il y avait apparemment des mini-bangs retardés dans lesquels de nouvelles galaxies ont été créées, comme Maarten Schmidt avait conjecturé, ainsi que de grandes quantités de poussière et de gaz éjectés dans l'espace » [p.211, BTBB].

Plus : « Tous ces résultats suggéraient fortement que certains des fragments originaux… de l'atome de Lemaitre [« primitif »] avaient réussi à survivre dans les centres massifs de grandes galaxies pendant de très longues périodes… ces fragments de paires massives électron[-positon] étaient apparemment éjecté longtemps après le Big Bang, comme l'astrophysicien russe Novokov et le physicien israélien Ne'eman l'avaient en fait suggéré indépendamment au milieu des années 1960… leurs noyaux seraient si massifs qu'ils seraient des trous noirs invisibles, mais ils pourraient expliquer une fraction dominante de la masse totale de l'univers encore aujourd'hui » [p.212, BTBB].

Selon le modèle de Sternglass, ces fragments de l'atome primitif sont des « graines de galaxies et d'étoiles », et se sont répandus dans tout notre univers, depuis le Big Bang. Il dit qu'une graine reste en sommeil pendant des millions ou des milliards d'années, tapie dans l'espace, puis, après un long processus de "compte à rebours", pendant lequel le système se divise en deux, encore + encore + encore, elle explose soudainement, violemment . Il appelle cette explosion un « mini-bang », et affirme que les « sursauts gamma » -(appelés aussi « quasars »)- que les astronomes ont observés depuis les années 1970, sont en fait les « mini-bangs retardés » que son le modèle prédit.


Peut-être que la matière noire est plus qu'une chose

L'étiquette « matière noire » résume notre ignorance de la nature de la majeure partie de la matière de l'univers. Elle contribue cinq fois plus que la matière ordinaire au budget de la masse cosmique. Mais on ne peut pas le voir. Nous inférons son existence seulement indirectement par son influence gravitationnelle sur la matière visible.

Le modèle standard de la cosmologie explique avec succès la croissance gravitationnelle des galaxies actuelles et leur regroupement comme étant entraînés par des fluctuations primordiales dans un océan de particules invisibles avec des mouvements aléatoires initialement petits. Mais cette "matière noire froide" pourrait en réalité être un mélange de différentes particules. Il pourrait être constitué de particules massives interagissant faiblement, de particules hypothétiques comme des axions ou même d'atomes sombres qui n'interagissent pas avec la matière ordinaire ou la lumière. Nous n'avons encore détecté aucune de ces particules invisibles, mais nous avons mesuré l'empreinte des fluctuations de leur distribution spatiale primordiale sous forme de légères variations à travers le ciel dans la luminosité du fond diffus cosmologique, le rayonnement relique laissé par le big bang chaud. .

De nombreuses expériences recherchent les signatures de divers types de matière noire, à la fois dans le ciel et dans des expériences de laboratoire, y compris le Grand collisionneur de hadrons. Cette recherche n'a pour l'instant pas abouti. En plus des types spécifiques de particules élémentaires, les trous noirs primordiaux ont été pour la plupart exclus en tant que composant dominant de la matière noire, avec une fenêtre ouverte limitée dans la gamme des masses d'astéroïdes attendant d'être éliminées.

Dans un article de 2005, j'ai montré, avec Matias Zaldarriaga, que les particules froides de matière noire pouvaient s'agglomérer gravitationnellement à des échelles allant jusqu'à une masse terrestre. Aucune preuve de ces minuscules amas de matière noire n'a été trouvée, mais les observateurs n'ont étudié que des systèmes beaucoup plus grands, à savoir des galaxies comme notre propre Voie lactée, contenant du gaz et des étoiles comme noyau interne, qui est entouré d'un halo de matière noire.

Comme le révèlent les travaux précurseurs de Vera Rubin, la dynamique du gaz et des étoiles dans les galaxies implique en effet l'existence d'une masse invisible dans un halo qui s'étend bien au-delà de la région interne où se concentre la matière ordinaire. Étonnamment, le besoin de matière noire dans des galaxies comme la Voie lactée n'apparaît que dans la région externe où l'accélération tombe en dessous d'une valeur universelle, qui équivaut à peu près à la vitesse de la lumière divisée par l'âge de l'univers. C'est un fait inattendu dans l'interprétation standard de la matière noire. La saveur fondamentale d'un seuil d'accélération universel soulève la possibilité que nous ne manquions peut-être pas de matière invisible, mais que nous assistions plutôt à un changement de l'effet de la gravité sur la dynamique de la matière visible à de faibles accélérations.

C'est l'idée lancée par Moti Milgrom, qui a proposé en 1983 une théorie phénoménologique de la « dynamique newtonienne quomodifiée » (MOND) pour expliquer le problème de la matière noire. Remarquablement, sa prescription simple pour une dynamique modifiée à de faibles accélérations rend extrêmement bien compte des courbes de rotation presque plates dans de nombreux halos de galaxies, même après quatre décennies d'examen minutieux. Comme prévu dans MOND, toutes les données existantes sur les galaxies de la Voie Lactée&ndashsize montrent une corrélation étroite entre la vitesse circulaire à la périphérie des galaxies et la quantité totale de matière ordinaire (également étiquetée, matière baryonique), manifestant la soi-disant relation de Tully-Fisher .&rdquo Dans un article de 1995, j'ai montré avec mon premier étudiant diplômé, Daniel Eisenstein, que l'étroitesse de cette relation n'est pas expliquée de manière triviale dans l'interprétation standard de la matière noire. Même si la matière noire existe, MOND pose la question fondamentale : pourquoi les particules de matière noire introduisent-elles une échelle d'accélération fondamentale dans la dynamique des galaxies ? Est-ce un indice important sur leur nature ?

MOND fait face à des défis à des échelles plus grandes que les galaxies. Des systèmes plus massifs tels que les amas de galaxies & mdash où Fritz Zwicky a posé pour la première fois l'existence de la matière noire et a inventé son nom & mdash montrent des preuves de masse manquante même si leur accélération a tendance à être supérieure à l'échelle de seuil dans MOND. De plus, les oscillations acoustiques détectées avec une précision exquise dans les fluctuations de luminosité du fond diffus cosmologique, impliquent la présence d'un composant dominant de matière qui circule librement, en plus de la matière ordinaire et des fluides de rayonnement qui sont étroitement couplés par des interactions électromagnétiques.

Mais qu'en est-il des plus petites échelles ? Avec mon postdoctorant Mohammad Safarzadeh, j'ai récemment étudié les dernières données disponibles du relevé Gaia des galaxies naines ultrafaibles qui sont des satellites de la Voie lactée. Nous avons montré que leur comportement s'écarte des attentes de MOND&rsquos. Tout comme les amas de galaxies, les galaxies naines semblent s'opposer à l'universalité de MOND à toutes les échelles.

Le succès de MOND à l'échelle de la Voie lactée et ses échecs à la fois à petite et à grande échelle offrent-ils de nouvelles perspectives sur la nature de la matière noire ? Une possibilité est que la matière noire interagisse fortement avec elle-même et évite les noyaux galactiques. Avec Neal Weiner, j'ai montré dans un article de 2011 qu'une interaction du secteur noir ressemblant à la force électrique entre les particules chargées pourrait faciliter l'évitement des noyaux galactiques par la matière noire, avec un effet décroissant aux vitesses de collision élevées caractéristiques des amas de galaxies.

Une autre possibilité que j'ai suggérée avec Julian Muñoz dans un article de 2018, a été inspirée par l'expérience EDGES, qui a signalé un refroidissement excessif inattendu des atomes d'hydrogène pendant l'aube cosmique. Nous avons montré que si certaines particules de matière noire possèdent une petite charge électrique, elles pourraient disperser la matière ordinaire et refroidir les atomes d'hydrogène en deçà des attentes, comme indiqué.

Expliquer une anomalie par la conjecture qu'une fraction des particules de matière noire sont légèrement chargées électriquement est bien plus spéculatif que d'expliquer six anomalies par la conjecture que l'objet interstellaire &lsquoOumuamua est un film mince poussé par la lumière du soleil. Néanmoins, les spéculations sur la nature de la matière noire reçoivent beaucoup plus de financement fédéral et de légitimité traditionnelle que la recherche de technosignatures de civilisations extraterrestres.

Des indices plus définitifs sont nécessaires pour comprendre la nature de la matière noire. Espérons ici que les décennies à venir apporteront une résolution à ce mystère cosmique, avec toutes les pièces du puzzle se mettant en place. Alternativement, nous pourrions chercher un enfant plus intelligent sur le bloc cosmique qui chuchoterait la réponse dans notre direction. Bien que cela puisse donner l'impression de tricher à un examen, nous devons garder à l'esprit qu'il n'y a aucun enseignant en vue qui regarde par-dessus nos épaules.

Ceci est un article d'opinion et d'analyse.

À PROPOS DES AUTEURS)

Avi Loeb est l'ancien président (2011-2020) du département d'astronomie de l'Université Harvard, directeur fondateur de la Black Hole Initiative de Harvard et directeur de l'Institute for Theory and Computation au Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Il préside également le Conseil de physique et d'astronomie des académies nationales et le conseil consultatif du projet Breakthrough Starshot, et est membre du Conseil présidentiel des conseillers en science et technologie. Loeb est l'auteur à succès de Extraterrestre : le premier signe de vie intelligente au-delà de la Terre (Houghton Mifflin Harcourt).


37 réponses à &ldquoClash of Clusters sépare la matière noire de la matière ordinaire&rdquo

Ces chercheurs ne lisent-ils pas les articles ici ? DM n'est qu'une affirmation dogmatique provoquée par des scientifiques qui ont besoin de votre argent pour financer leurs projets favoris.

Si vous ne me croyez pas, essayez de vous faire virer par votre patron pour être stupide, puis essayez de dire que c'était juste une blague et vous verrez !

Il h. Presque comme la vraie chose.

Génial de voir le Bullet Cluster reproduit. C'est la voie de la science !

10^(3+4*3) (à moins que vous n'utilisiez réellement les noms propres – “forme longue”) c'est bien beau, mais je pense que ce serait un peu plus compréhensible si vous donnez le masse par rapport à la Voie lactée. Il est un amas de galaxies, pas seulement des étoiles, après tout.

@Dutch Delight: lolz, c'est visiblement photoshopé !!1 lmao

Euh, sérieusement. Allez la science ! RÉ:

Je vois et je crois en ce que vous faites et partagez. Merci.

Je vois et je crois en ce que vous montrez et partagez. Merci.

Je suis sûr qu'ils ont vérifié l'absorption spectrale dans la région pour la distribution de l'hydrogène. Ils voient le gaz chaud parce qu'il est facile à voir. Alors, combien de gaz froid y a-t-il et correspond-il aux données gravitationnelles observées ? Ce serait drôle si les chercheurs se sont mis dans une boîte et ont ignoré l'évidence.

Jack Burton dit :
“i croira en la matière noire quand je pourrai aller à Home Depot et en acheter un sac de 10 lb. Jusque-là, c'est de la merde. C'est comme dire "Je crois que la Terre tourne autour du Soleil, pas l'inverse, quand je peux amener les deux dans mon salon et regarder ce qu'ils font. Jusque-là, c'est de la merde. Un grand nombre de choses très importantes que nous acceptons presque tous comme réelles, de la gravité à la nature des éléments chimiques, ne sont connues que par inférence et en tant que retombées d'équations mathématiques. Appeler les gens par des noms, ou les rabaisser pour avoir accepté des preuves circonstancielles quand elles sont solides * et * c'est tout ce que nous avons pour nos idées sur la réalité, est non seulement stupide et incivil, mais peut conduire à des coups de poing. Je ne pense vraiment pas que nous ayons besoin de le faire.

Est-il possible qu'une observation échoue à confirmer la matière noire ? Si c'était le cas, pourrait-il être publié? Si oui, où ?

Ouais, le bleu c'est quelque chose….. De la matière noire ? Prouvez-le, s'il vous plaît. C'est juste un reste en maths, qui ne prouve rien. Cela me ressemble à une équation mathématique dans laquelle nous ne connaissons pas toutes les variables d'origine, et nous oublions donc de porter celle-ci. Allez, maintenant… Votre blog sonne plutôt comme si vous essayez désespérément de prouver quelque chose sans toutes les connaissances nécessaires pour le sauvegarder. Plus vous publiez de ces articles, moins je crois qu'il existe !

Qu'est-ce qui se passe avec les trolls ces derniers temps ?

Je croirai en la matière noire quand je pourrai aller chez Home Depot et en acheter un sac de 10 lb. Jusque-là, c'est de la merde.

Je ressens un peu la même chose à propos de Dieu.

Jack Burton dit :
27 août 2008 à 20h01
“i croira en la matière noire quand je pourrai aller à Home Depot et en acheter un sac de 10 lb. Jusque-là, c'est de la merde.”

Je vois ce que tu as fait là, intelligent.

Après un demi-siècle à essayer de déterminer les particules DM, nous sommes toujours là où nous avons commencé : observer des événements très lointains qui n'ont aucun sens sans supposer qu'il existe quelque chose dont nous ne savons presque rien.

Je préférerais Wal-Mart à Home Depot, de cette façon, je saurais que c'est de la vraie matière noire, parce que la Chine n'a jamais rien fait d'original.

Il est bien sûr possible d'acheter des sacs de matière noire chez Home Depot. Le vendre peu d'autre.

J'aimerais revoir cette photo, mais avec une annotation disant ce qui se passe à quoi, où et comment. Merci de me l'expliquer plus clairement. J'aimerais savoir où est le DarkMatter. Le DM est-il vraiment invisible ? et qu'a-t-il fait et où?
Je me demande si cette information aidera les autres et les commentaires s'amélioreront.

Le plasma prend de nombreuses formes, à la fois chaudes et froides.

La matière noire est réelle. La matière physique est la matière noire transformée par l'énergie dynamique. Même rien n'est quelque chose.

Je pense qu'il y a beaucoup de confusion en ce qui concerne la matière noire et l'énergie noire. Bien qu'il existe de nombreux débats sur l'énergie noire, il existe vraiment un assez grand consensus pour l'existence de la matière noire. Le grand débat porte sur exactement de quoi il s'agit ou de quoi il est fait. Est-ce une force qui s'est déchaînée ? Est-ce une particule que nous n'avons jamais vue auparavant ? bla bla. À l'heure actuelle, il est trop petit pour être attrapé, comme le prouve cet article. Il traverse/passe à travers les choses et semble s'attarder ensuite autour d'eux dans des zones d'une manière apparemment prévisible

Le fait Une autre de ces choses folles que nous espérons que le LHC nous aidera à résoudre.

Je suis d'accord avec un post précédent ici. Si DM existe, pourquoi est-ce que nous semblons le voir seulement waaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaay loin, mais n'avons aucune particule ici pour dire, "c'est DM" ? Encore une fois, DM n'est qu'un espace réservé dans les mathématiques, car nous comprenons mieux les mathématiques sous-jacentes qui font fonctionner l'univers.

Des formulations très pauvres, confuses et non pertinentes utilisées dans l'article.

“Alors que les deux amas qui formaient MACS J0025 (chacun presque un énorme quadrillion de fois la masse du Soleil) fusionnaient à des vitesses de millions de miles par heure, les gaz chauds dans les deux amas sont entrés en collision et ont ralenti, mais la matière noire est passée tout au long du smashup. La séparation entre la matière représentée en rose et en bleu fournit donc des preuves d'observation de la matière noire et soutient l'idée que les particules de matière noire n'interagissent que très faiblement ou pas du tout, en dehors de l'attraction de la gravité.

Lorsque deux amas de galaxies entrent en collision, la preuve observationnelle est leur décalage vers le rouge relatif. La fusion des deux amas de galaxies, même à des millions de milles par heure, prendrait des millions d'années et nous ne les avons peut-être pas observées depuis plus de quelques années. Nous ne les avons donc pas assez observés pour citer « mais la matière noire a traversé le smashup de part en part ». Très probablement, les entrées d'observation de Hubble et Chandra ont été introduites dans des superordinateurs pour la simulation du smash-up et ce qui est ressorti de la simulation a été théorisé ici.

Sans aucune base, la conclusion semble si stupide. Les deux amas de matière bleue sont largement séparés par quelques centaines de millions d'années-lumière, alors comment peut-on théoriser qu'ils « n'interagissent pas l'un avec l'autre » ? La seule façon dont la matière noire est détectée indirectement est due aux interactions gravitationnelles et donc que pouvez-vous détecter d'autre que « l'attraction de la gravité », lorsque les deux amas de DM sont à des millions d'années de se briser ?

@Thomas :
La DM a également été déduite du mouvement des amas globulaires de la Voie lactée et de la vitesse de rotation d'autres galaxies "locales".

Nancy, merci encore pour l'article perspicace sur un autre élément de preuve en faveur de DM. Malgré de nombreux messages ignorants ou malavisés ci-dessus, il est agréable de voir des commentaires réfléchis et intelligents sur la véritable signification scientifique de cette dernière découverte. Des réponses astucieuses et scientifiquement exactes au débat DM me donnent l'espoir que quelques lecteurs astronomiques avertis fréquentent UT, maintenant l'un de mes astro-sites les plus populaires. Continuez votre bon travail. Les lecteurs scientifiquement intéressés devraient consulter l'article de 10 pages sur ce système à ArXiv:0808.2320v2 sur le site arXiv astro-ph, ou suivre les liens vers l'article disponible sur certains des sites de communiqués de presse. Encore une fois, une pièce remarquable d'astronomie d'observation, félicitations à tous ceux qui ont participé à cette étude.

Le calcul a déjà été vérifié. En fait, ces observations réfutent en fait les modifications mathématiques apportées à la théorie gravitationnelle (comme MOND). MOND prédit nécessairement qu'il ne peut y avoir de séparation entre la "matière noire" et la matière normale parce qu'elles sont une seule et même chose. Cependant, la séparation entre la distribution de lentilles et le gaz visible montre clairement que MOND (et d'autres modifications basées sur les mathématiques) ne peut pas avoir raison.

Je pense qu'il existe un moyen d'être en désaccord avec certains aspects des articles de DM & DE sans insulter les auteurs, qui font un excellent travail et stimulent le débat et la discussion.

Je déclare peut-être une évidence, mais nous semblons être dans une impasse dans notre compréhension de la nature de l'univers. l'énorme bond en avant d'Einstein n'a pas été égalé par un penseur contemporain. ce qui indique l'éclat d'E et aussi la complexité croissante que nous semblons continuer à découvrir autour de nous.

les avancées technologiques semblent ajouter de plus grands mystères. qui, d'une certaine manière, est comme il se doit. si tout était évident à quoi serions-nous encore à méditer ?

Bridh Hancock a écrit : “J'aimerais revoir cette photo, mais avec une annotation disant ce qui se passe à quoi, où et comment. Merci de me l'expliquer plus clairement. J'aimerais savoir où est le DarkMatter. Le DM est-il vraiment invisible ? et qu'a-t-il fait et où?
Je me demande si cette information aidera les autres et les commentaires s'amélioreront.”
La partie rose de l'image est l'endroit où se trouve la matière visible, la partie bleue est l'endroit où se trouve la matière noire. Le fait que la matière noire se trouve des deux côtés de la collision, là où il n'y a pas de matière visible, nous montre que, alors que la matière visible était ralentie par la collision, la matière noire est simplement passée à travers.

Oui, la matière noire est invisible dans la mesure où elle n'émet pas de lumière. La façon dont nous savons que quelque chose doit être là, c'est parce que la matière déforme l'espace-temps. Si nous voyons que les galaxies de fond à côté des deux amas sont déformées même si nous n'y voyons rien, cela nous montre qu'il y a une masse invisible.

Je ne doute pas qu'il se passe quelque chose qui donne l'impression qu'il devrait y avoir plus de matière là-bas alors qu'en fait nous ne pouvons pas le trouver, mais mettre une sorte d'espace réservé (DM) pour faire fonctionner les mathématiques signifie l'une des deux choses suivantes :

1) Il y a de la matière noire, et nous devons commencer à trouver une telle chose ici pour le prouver ou

2) Les mathématiques que nous utilisons pour calculer ces choses sont imparfaites, et DM est un “placeholder” ou une variable que nous ajoutons aux maths d'origine pour l'adapter.

Eh bien, nous ne pouvons pas sembler isoler le “DM” dans les laboratoires ici, et il ne s'intègre pas bien dans le modèle standard sans création d'autres particules et dimensions non démontrables. Le rasoir Occum's fait facilement un travail rapide. Les calculs originaux sont probablement erronés.


Contributions de Vera Rubin à l'astronomie

Vera Rubin, astronome américaine pionnière, est décédée le 25 décembre 2016, à l'âge de 88 ans. La vie de Rubin en astronomie a franchi trois transitions cruciales : la découverte de la matière noire, le remplacement des plaques photographiques par des détecteurs électroniques plus sensibles et l'entrée de nombre important de femmes astronomes dans la profession. Rubin a joué un rôle crucial dans l'avancement des trois.

La contribution scientifique la plus importante de Rubin&rsquos a été d'établir que les vitesses d'orbite des nuages ​​de gaz dans les parties externes des galaxies restent constantes (c'est-à-dire &ldquoflat&rdquo) à des distances bien au-delà de la lumière visible des étoiles, plutôt que de diminuer comme dans les parties externes de notre système solaire. Les vitesses orbitales élevées dans les parties externes des galaxies impliquent l'existence de matière supplémentaire à de grands rayons. Grâce aux travaux de Rubin&rsquos et à des études ultérieures, nous savons maintenant que les galaxies sont entourées d'énormes halos invisibles de matière contenant 5/6 de la masse et s'étendant dix fois plus loin que les régions visibles. De nombreux arguments montrent que cette soi-disant "matière noire" doit être fondamentalement différente de la matière ordinaire "quobaryonique" du tableau périodique. Sa nature est encore inconnue mais est poursuivie dans de nombreuses expériences dans des accélérateurs de particules et des détecteurs de particules à travers le monde. La prise de conscience que la matière baryonique n'est qu'une trace de l'Univers a révélé que notre compréhension du cosmos était étonnamment incomplète et a été l'un des jalons qui ont inauguré l'ère de la cosmologie moderne.

La matière noire avait une longue histoire avant que le premier article de Rubin à ce sujet ne soit publié en 1978 (Rubin, Ford et Thonnard, Astrophysical Journal Letters, 225, 107, 1978). Fritz Zwicky a ouvert le sujet en 1933 en affirmant que les amas de galaxies s'envoleraient s'il n'y avait pas de matière supplémentaire pour fournir plus de liaison gravitationnelle. Un saupoudrage d'articles a suivi au cours des trois décennies suivantes, aboutissant à la conférence de Santa Barbara sur la "masse manquante" en 1964, mais les données disponibles, pour la plupart encore confinées aux amas et aux galaxies binaires, étaient difficiles à analyser. Le sujet a avancé au début des années 1970 avec des études radio de la raie de 21 cm de l'hydrogène neutre pour mesurer les vitesses de rotation dans les disques de gaz à la périphérie des galaxies voisines. Les disques en rotation circulaire étaient beaucoup plus simples à analyser que les amas, et ces premières données faisaient allusion à l'écart de la courbe de rotation, mais le nombre de galaxies était minuscule. L'un des chefs de file de ces premiers articles radio était Morton Roberts de l'Observatoire national de radioastronomie, qui a activement stimulé l'intérêt de Rubin pour le sujet. La thèse de doctorat d'Albert Bosma, parue en 1978 juste avant le premier article de Rubin&rsquos, a étendu les données radio à 24 galaxies à l'aide de l'interféromètre de Westerbork et a de nouveau vu des courbes de rotation externe plates.

Au milieu de cet ensemble croissant de données, les travaux de Rubin&rsquos ont été particulièrement influents en raison de trois facteurs. Le premier était la clarté et la franchise des papiers, y compris de belles illustrations des spectres bruts qu'elle mesurait et la planéité des courbes de rotation ne pouvait être niée. Deuxièmement, Rubin et ses collègues ont publié plusieurs autres articles au cours des années suivantes, chacun élargissant l'échantillon et démontrant l'omniprésence des courbes plates. Troisièmement, les présentations de Rubin&rsquos lors de nombreuses conférences astronomiques, qui, comme les articles publiés, étaient claires, directes, réduites à l'essentiel et finalement convaincantes.

La deuxième percée scientifique majeure de Rubin, à peu près à la même époque, était une étude du mouvement de la Galaxie par rapport au repos cosmique (Rubin, Thonnard, Ford et Roberts, Astronomical Journal, 81, 719, 1976). À cette époque, il était largement admis que l'expansion de l'Univers était lisse et régulière avec des déviations des galaxies individuelles de l'ordre de 50 km s -1 . Rubin et ses collaborateurs ont entrepris de mesurer le mouvement particulier de notre groupe local de galaxies par rapport à une coquille de 96 galaxies spirales si éloignées qu'elles étaient vraisemblablement au repos par rapport au reste de l'Univers. Le mouvement qu'ils ont trouvé, 454±125 km s -1 , était près de dix fois plus grand que la valeur standard et a été considéré par certains comme une hérésie cosmique. Des études ultérieures ont démontré que de telles études sont en fait très complexes, et cette première valeur obtenue par Rubin et ses collègues n'est que marginalement cohérente avec les valeurs ultérieures. Néanmoins, leur article a hardiment ouvert le sujet, et de grandes irrégularités dans l'expansion cosmique font maintenant partie de la tradition cosmique standard. En effet, ils sont induits par les masses beaucoup plus importantes des superamas de galaxies en raison de leurs grandes composantes de matière noire.

Les deux études ci-dessus n'ont été possibles que grâce à l'accès de Rubin à la nouvelle technologie de détection. Cela a été rendu possible grâce à une étroite collaboration avec son partenaire de longue date et collègue Kent Ford, également membre du personnel du Carnegie&rsquos Department of Terrestrial Magnetism. Ford était un instrumentiste brillant qui a développé le premier système de détection optique électronique pratique en astronomie, et a ainsi multiplié par vingt l'efficacité de détection par rapport aux plaques photographiques. Ford a obtenu une subvention de la NSF pour construire plusieurs de ces Tube image Carnegie systèmes et les a distribués aux observatoires du monde entier, y compris les télescopes de 4 m à Kitt Peak et Cerro Tololo. Lui et Rubin ont utilisé ces télescopes pour observer, et elle a réduit les données et écrit les articles. Les expositions plus profondes qui en ont résulté ont étendu les données de la courbe de rotation optique dans les parties externes faibles des galaxies, où la matière noire a enfin pu être détectée.

Comme indiqué, Vera Rubin a présidé & mdashand a défendu & mdasha la troisième transition cruciale, l'entrée d'un grand nombre de femmes dans l'astronomie. L'histoire personnelle de Rubin, racontée avec charme dans son chapitre autobiographique de Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics (ARA&A, 49, 1, 2011) reflète de manière frappante le degré remarquable d'hostilité de la profession envers les femmes astronomes dans les années 1950 et 1960. Rubin elle-même n'a trouvé un foyer scientifique permanent qu'à l'âge de 37 ans, au Département de magnétisme terrestre de Carnegie, où elle a prospéré. Pourtant, dans l'une des plus grandes ironies de sa carrière, sa propre institution, la Carnegie Institution de Washington, n'a pas insisté pour qu'elle ait accès au Palomar 200 pouces, qu'elle contrôlait également et aurait grandement fait progresser les travaux spectroscopiques de Rubiná. Ces injures et bien d'autres sont résumées dans le chapitre biographique de Rubin&rsquos. Tout au long de tout cela, Rubin a maintenu un comportement calme mais déterminé, s'exprimant efficacement mais toujours avec humour pour améliorer la cause des femmes et servant de modèle crucial pour la prochaine génération de femmes (et d'hommes) qui affluaient dans la profession en l'ère post-spoutnik. Rubin, ainsi que son amie et collègue Margaret Burbidge, étaient des lumières jumelles pour les femmes astronomes des années 60 et 70. Rubin&rsquos, l'histoire familiale heureuse élevant quatre enfants, qui ont tous finalement obtenu leur propre doctorat, était particulièrement inspirant pour les jeunes femmes, y compris cet écrivain.

En reconnaissance de ses réalisations remarquables, Rubin a reçu de nombreux honneurs, notamment la médaille d'or de la Royal Astronomical Society, le prix de cosmologie Gruber et la médaille nationale de la science. Très peu d'astronomes seront pleurés avec le même degré d'amour et d'admiration que Vera Rubin.

Les opinions exprimées sont celles des auteurs et ne sont pas nécessairement celles de Scientific American.


Matière noire

Matière noire C'est de la matière dans l'espace que nous ne pouvons pas voir car elle ne dégage pas de lumière comme les étoiles et les galaxies.

Pourquoi c'est important? Demandons à Louis Strigari de l'UC Irvine :

« S’il n’y avait pas cette matière noire, alors nous n’aurions pas de galaxies pour commencer, nous n’aurions pas d’étoiles parce que cette matière noire forme en quelque sorte la base et les graines autour desquelles les galaxies se forment. Donc sans cette matière noire, il n'y aurait pas de galaxies, il n'y aurait pas de soleil, et finalement il n'y aurait pas de vie telle que nous la connaissons. Il est donc important de déterminer quelles sont les propriétés de cette forme de matière car c'est la forme dominante de la matière que nous connaissons dans l'univers.

Comment sait-on qu'il existe ?


Nous ne savons pas qu'il existe, mais nous croyons fermement que c'est le cas, car on pense que la matière noire génère la gravité et que si la matière noire n'existait pas, l'univers s'effondrerait.

Première découverte de la galaxie de la matière noire

Le 23 février 2005, des astronomes britanniques ont découvert une galaxie noire invisible. La masse tourne comme une galaxie mais n'a pas de lumière, ce qui signifie qu'il n'y avait pas d'étoiles. Il a été trouvé avec un radiotélescope à l'Université de Manchester.

There is more dark matter in the universe than bright objects.

Dark matter is of two kinds – the matter in galaxies (galactic), and the matter between them (intergalactic).

Galactic dark matter can be the same as ordinary matter but has burnt out early in the universe’s life.

Intergalactic dark matter is made up of WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles).

Some WIMPs are called cold dark matter because they are travelling slowly away from the Big Bang.

Some WIMPs are called hot dark matter because they are travelling very fast away from the Big Bang.

The future of the Universe depends on dark matter. If there is too much dark matter the universe may shrink.

BestDBnThaNation Pdk 2010

Dark matter may get trapped inside the sun and other stars effecting stellar energy transfer.


The Incredible Dark Matter Mystery: Why Astronomers Say it is Missing in Action

Astronomers have a problem. Whenever they study the large scale structure of the universe, it soon becomes clear that the amount of visible matter cannot possibly generate enough gravity to hold together the structures they can see. Things like galaxy clusters and even galaxies themselves ought to fly apart given the amount of ordinary matter they contain.

Something else must be holding these things together. So astronomers have dreamt up the idea of dark matter—mysterious, invisible and non-interacting stuff that fills the universe, generating the gravity necessary to hold everything together.

This isn’t a small problem requiring a tiny amount of extra mass. The problem is huge. According to the latest picture of the large-scale structure of the Universe from the Planck space mission, ordinary visible matter makes up just 5 per cent of the total mass/energy of the Universe whereas dark matter makes up 27 per cent (the rest is the even more mysterious dark energy).

To make the numbers work, astrophysicists tell us that our galaxy ought to be at least 80 per cent dark matter.

That means our Solar System ought to be swimming in the stuff. Indeed, physicists have calculated that particles of dark matter ought to slam into each human on the planet at a rate of 100,000 times a year, as we saw last year.

But that raises an important question. If we’re ploughing through a thick sea of dark matter as astrophysicists suggest, why don’t we see evidence of it?

Most dark matter detectors work by looking for evidence of the collisions that dark matter must make with ordinary matter. A few of these experiments say they have found tentative evidence of these collisions.

But there is another way to look for dark matter—by its gravitational effects on the Solar System itself. If the Sun is surrounded by a thick soup of dark matter, we ought to be able to see its gravitational influence on the orbits of the planets, moons and asteroids.

Today, Nikolay Pitjev at St. Petersburg State University and Elena Pitjeva at the Institute of Applied Astronomy in St Petersburg, both in Russia, have used the most detailed set of measurements of planetary orbits ever made to study this question. Their conclusion is that the gravitational effect of dark matter on the solar system is negligible.

Pitjev and Pitjeva have compiled an impressive data set consisting of some 677,000 measurements of planetary positions taken since 1910. These include optical measurements from observatories on Earth, ranging measurements from various spacecraft such as Cassini at Saturn and the Mars and Venus Express missions plus various Russian radar measurements of planetary positions taken between 1961 and 1995.

This data has become increasingly accurate in recent years. For example, the data from Cassini gives its distance at Saturn to within a metre or so.

Astrophysicists have used these measurements to model the behaviour of the solar system, taking into account the perturbations caused by the major planets, the Moon, the 301 largest asteroids, the other asteroids modelled as a uniform ring, the 21 largest trans-Neptunian objects and so on.

Having taken all this into account, Pitjev and Pitjeva looked for anomalous gravitational effects that might be the result of dark matter. “If dark matter is present in the Solar system, then it should lead to some additional gravitational influence on all bodies,” they say.

The puzzling news is that Pitjev and Pitjeva find no evidence of this stuff in their analysis. If it is there, its effect must be smaller than the errors in the data.

Indeed, to satisfy this limit, they calculate that the amount of dark matter within the orbit of Saturn must be tiny. “The dark matter mass in the sphere within Saturn’s orbit should be less than 1.7 10^−10M⊙,” they say. That’s about the mass of a large asteroid.

So astronomers are left scratching their heads. On the one hand, they say dark matter must hold our galaxy together with a vice-like gravitational grip. On the other, its gravitational effect on the Solar System is negligible. Something has to give.

This problem of the contradictory effects of dark matter on different scales is fast turning into the most fascinating and urgent problem in physics and astronomy,

Researchers are currently spending big bucks to design, build and run giant experiments looking for dark matter in our vicinity. And yet the evidence already gathered from other sources, such as this analysis by Pitjev and Pitjeva, suggest that this investment may produce a very poor return.

That won’t stop them looking and nor should it. But the dark matter problem is likely to generate significant controversy in the coming months and years.


A Dark Matter-less Galaxy

The hazy blob at the center of this Hubble image is the unusual ultra-diffuse galaxy NGC 1052–DF2, a galaxy missing most — if not all — of its dark matter.
NASA / ESA / P. van Dokkum (Yale University)

Last year, Pieter van Dokkum (Yale University) and colleagues discovered the first dark matter-less galaxy on the outskirts of the elliptical NGC 1052, dubbed NGC 1052-DF2. Observing 10 globular clusters looping around the galaxy’s edges, the astronomers determined DF2’s total mass. Turns out, the total mass is tiny and roughly equivalent to its mass in stars. Usually, a galaxy’s total mass outweighs its stars by a factor of 100 or more, hinting at the presence of dark matter. But in this galaxy, there doesn’t seem to be any hidden matter at all — just stars.

(For reasons astronomers still don’t understand, the globular clusters themselves are odd, too. They’re all unusually luminous, about as bright as Omega Centauri, the brightest globular cluster in the Milky Way.)

It’s perhaps no surprise that the team’s extraordinary claim was immediately surrounded by controversy. Some astronomers argued that 10 globular clusters were not enough to give a reliable mass estimate. Others argued that the distance to NGC 1052-DF2 was itself uncertain, which put any attempts to understand it in disarray.

To characterize DF2, van Dokkum and colleagues had used the Dragonfly Telephoto Array, which images each target simultaneously through multiple Canon 400mm lenses, akin to how a dragonfly’s eye works. The unique setup enables the astronomers to catch extremely faint “fuzzies,” such as large, star-poor galaxies. Before the discovery of DF2, the group had characterized dozens of these ghostly galaxies in the crowded Coma Cluster, including the curious case of Dragonfly 44, a Milky Way-mass galaxy with 100 times fewer stars than our galaxy. It appears to be made of 99.99% dark matter.

Van Dokkum and colleagues had suggested that, as galaxies like Dragonfly 44 fly through the teeming cluster environment, gravitational interactions strip away the stars or star-forming material. These ultra-diffuse objects, then, are essentially “failed galaxies.”

The discovery of DF2, though, seems to turn that argument on its head — something has stripped this galaxy of its dark matter, or maybe it never had any to begin with.


Searching for DM

If the modification of the theory of gravity is excluded, the natural explanation for dark matter is that there is a particle not included in the Standard Model of elementary particles which is very weakly or not interacting with other Standard Model particles. Interestingly, among the vast variety of possible additions to the Standard Model with dark matter candidate particles, only 3 additions are able to also solve other open questions of modern physics and astrophysics - axions, sterile neutrinos and WIMPs, all of which will be explained below.

Astrophysics can not provide us a way to directement measure the parameters (e.g. mass) of DM particles. The only option is to deduce these parameters indirectement from observations which disagree with other astrophysical explanations.

If there is a DM particle, the most straightforward way to detect it is through the observation of its decay or annihilation to photons. This should leave a corresponding feature in DM-dominated objects' electromagnetic spectra.

However, DM profiles can have large uncertainties, especially near the center of DM dominated objects, from where most of the DM signal is naturally expected. Moreover, DM decay/annihilating spectral features can be easily confused with regular astrophysical lines/features or instrumental artifacts. Furthermore, the expected feature is generally weak and requires the analysis of large data sets. Having said that, a detected weak feature in a large data set may also be caused by the instruments and devices used and might therefore be attributed to a systematic error and not to an actual feature.


10 Facts Everyone Should Know About Dark Matter

And if you know all ten, you’ll understand just what it is… and isn’t.

Dark matter may be one of the most unsettling concepts that modern physics has brought us: the idea that everything we’re familiar with in the Universe — galaxies, stars, planets, gas, dust, plasma, etc. — is just a tiny fraction of the matter that’s out there. That most of what exists in the Universe n'est pas made out of the same stuff that we are, but is rather some new type of matter that’s different from everything we’ve ever discovered.

Here are ten facts you may not know about the Universe’s most elusive form of mass and source of gravitational attraction.

1. “Dark” doesn’t just mean we don’t see it.

It means it doesn’t emit any electromagnetic radiation for all we can tell. Astronomers haven’t been able to find neither light visible to the eye, nor radiation in the radio range or x-ray regime, and not at even higher energies either.

2. “Matter” doesn’t just mean it’s stuff.

What physicists classify as matter must behave like the matter we are made of, at least for what its motion in space and time is concerned. This means in particular dark matter dilutes when it spreads into a larger volume, and causes the same gravitational attraction as ordinary, visible, matter. It is easy to think up “stuff” that does not do this. Dark energy for example does not behave this way.

3. It’s not going away.

You will not wake up one day and hear physicists declare it’s not there at all. (Well, you will, but those claims are rare, and those physicists are wrong.) The evidence is overwhelming: Weak gravitational lensing demonstrates that galaxies have a larger gravitational pull than visible matter can produce. Additional matter in galaxies is also necessary to explain why stars in the outer arms of galaxies orbit so quickly around the center. The observed temperature fluctuations in the cosmic microwave background can’t be explained without dark matter, and the structures formed by galaxies wouldn’t come out right without dark matter either. Even if all of this was explained by a modification of gravity rather than an unknown type of matter, it would still have to be possible to formulate this modification of gravity in a way that makes it look pretty much like a new type of matter. And we’d still call it dark matter.

4. Rubin wasn’t the first to find evidence for dark matter.

Though she was the first to recognize its relevance. A few decades before Vera Rubin noticed that stars rotate inexplicably fast around the centers of galaxies, Fritz Zwicky pointed out that a swarm of about a thousand galaxies which are bound together by gravity to the “Coma Cluster” also move too quickly. The velocity of the galaxies in a gravitational potential depends on the total mass in this potential, and the too large velocities indicated already that there was more mass than could be seen. However, it wasn’t until Rubin collected her data that it became clear this isn’t a peculiarity of the Coma Cluster, but that dark matter must be present in almost all galaxies and galaxy clusters.

5. Dark matter doesn’t interact much with itself or anything else.

If it did, it would slow down and clump too much and that wouldn’t be in agreement with the data. A particularly vivid example comes from the Bullet Cluster, which actually consists of two clusters of galaxies that have passed through each other. In the Bullet Cluster, one can detect both the distribution of ordinary matter, mostly be emission of x-rays, and the distribution of dark matter, by gravitational lensing. The data demonstrates that the dark matter is dislocated from the visible matter: The dark matter parts of the clusters seem to have passed through each other almost undisturbed, whereas the visible matter was slowed down and its shape was noticeably distorted.

The same weak interaction is necessary to explain the observations on the cosmic microwave background and galactic structure formation.

6. It’s responsible for the structures in the universe.

Since dark matter doesn’t interact much with itself and other stuff, it’s the first type of matter to settle down when the universe expands and the first to form structures under its own gravitational pull. It is dark matter that seeds the filaments along which galaxies later form when visible matter falls into the gravitational potential created by the dark matter. If you look at some computer simulation of structure formation, what is shown is almost always the distribution of dark matter, not of visible matter. Visible matter falls into, and hence, is assumed to follow the same distribution at later times.

7. It’s probably not smoothly distributed.

Dark matter doesn’t only form filaments on supergalactic scales, it also isn’t entirely smoothly distributed within galaxies — at least that’s what the best understood models say. Dark matter doesn’t interact enough to form objects as dense as planets, but it does have ‘halos’ of varying density that move around in galaxies. The dark matter density is generally larger towards the centers of galaxies. Since dark matter doesn’t rotate with the disk of stars we observe, solar systems like our own constantly move into a “wind” of dark matter particles.

8. Physicists have lots of ideas what dark matter could be.

The presently most popular explanation for the puzzling observations is some kind of weakly interacting particle that doesn’t interact with light. These particles have to be quite massive to form the observed structures, about as heavy as the heaviest particles we know already. If dark matter particles weren’t heavy enough they wouldn’t clump sufficiently, which is why they are called WIMPs for “Weakly Interacting Massive Particles.” Another candidate is a particle called the axion, which is very light but leaves behind some kind of condensate that fills the universe.

There are other types of candidate particles that have more complex interactions or are heavier, such Wimpzillas and other exotic stuff. Macro dark matter is a type of dark matter that could be accommodated in the standard model it consists of macroscopically heavy chunks of unknown types of nuclear matter.

Then there are several proposals for how to modify gravity to accommodate the observations, such as MOG, entropic gravity, or bimetric theories. Though very different by motivation, the more observations have to be explained the more similar the explanations through additional particles have become to the explanations through modifying gravity.

9. And they know some things dark matter can’t be.

We know that dark matter can’t be constituted by dim brown dwarfs or black holes. The main reason this doesn’t work is that we know the total mass dark matter brings into our galaxy, and it’s a lot, about 10 times as much as the visible matter. If that amount of mass was made up from black holes, we should constantly see gravitational lensing events — but we don’t. It also doesn’t quite work with structure formation. And we know that neutrinos, even though weakly interacting, can’t make up dark matter either because they are too light and they wouldn’t clump strongly enough to seed galaxy filaments.

10. But we have no direct experimental evidence.

Despite decades of search, nobody has ever directly detected a dark matter particle and the only evidence we have is still indirectly inferred from gravitational pull. Physicists have been looking for the rare interactions of proposed dark matter candidates in many Earth-based experiments starting already in the 1980s. They are also on the lookout for astrophysical evidence of dark matter, such as signals from the mutual annihilation of dark matter particles. There have been some intriguing findings, such as the PAMELA positron excess, the DAMA annual modulation, or the Fermi gamma-ray excess, but physicists haven’t been able to link any of these convincingly to dark matter.

After everything the Universe has told us about itself, we’re convinced that quelque type of dark matter must exist: matter that’s different from any of the known particles in the Standard Model. This dark matter outmasses all other particles and radiation in the Universe by a factor of cinq or so, but has yet to be directly detected. We know it exists, but we don’t know exactly what it’s made of. Until we do, this will remain a mystery in need of a more complete solution.


The Possible Parallel Universe of Dark Matter

I am a light-matter chauvinist. Don’t snicker you’re probably one, too. Almost all of us are.

We think of ourselves, and the world immediately around us, as something special. And by extension we regard our kind of matter — atoms, molecules, rocks, water, air, stars and all of the other things that interact with visible light — as the most important kind of matter in the universe. The only matter that matters, as it were.

Science tells a starkly different story. Last spring, the European Space Agency’s Planck spacecraft completed an ultraprecise 15-month census of the composition of the universe. The kind of matter that we can see makes up 4.9 percent of the total. Another fundamentally invisible type of matter vastly outweighs it, accounting for 26.8 percent. (The remaining 68.3 percent is an even more baffling component that consists of formless energy: That means more than two-thirds of the universe has no substance at all.)

Even the technical language used to describe the Planck result was humbling. Things made of visible atoms are known as baryonic matter, which sounds like something you’d take at the doctor’s office. The unseen 26.8 percent, in contrast, is “dark matter” — cool and mysterious.

But cosmologists have a hard time letting go of their prejudices. For years they convinced themselves that although the visible universe may be secondary in mass, it is where all the interesting things happen. Extrapolating from their very limited knowledge of how dark matter works, cosmologists assumed that dark matter consisted of just one kind of substance with a limited range of behavior, tending to gather in giant, diffuse clouds. They generally regarded dark matter as little more than the glue that holds together the visible universe and all its rich diversity.

Two recent advances hint at just how much we have been missing about the dark side. In January 2012, Christoph Weniger, a physicist at the University of Amsterdam in the Netherlands, started noticing hints of a strange type of radiation around the center of our galaxy. To his excitement, he realized that the glow could be a signal of dark-matter particles smashing into each other and, in the process, transforming from something invisible to something visible. If so, it might finally be possible to go beyond simply deducing where dark matter gathers, and start learning how it actually behaves.

The other shoe dropped earlier this year, when a group of Harvard University theorists, including Lisa Randall and JiJi Fan, formulated a new theory of dark matter . One of the oddest things about Weniger’s detection, Randall notes, is that it was possible at all. “The signal would be too small for you to see under most reasonable models of dark matter,” she says. But Randall and her collaborators realized they could tidily explain the observation if there were a second type of dark matter out there: one that is not as diffuse as the dominant component of dark matter, but can interact with itself, just like visible matter. Clumps of this interacting kind of dark matter could form a disk, collapsing into a plane that could produce a correspondingly concentrated signal like the one Weniger saw.

Acknowledging that dark matter might have some of the same kind of diversity as visible matter may seem a minor adjustment. But it’s one that has, as Randall narrates in an excited staccato, “super-dramatic consequences.” If one variety of dark matter can clump together, it could form a panoply of previously unimagined dark structures. It could ball up into dark stars surrounded by dark planets made of dark atoms. In the most extravagant leap of possibility, this new kind of dark matter might even allow the existence of dark life.

We could be sitting right on top of a whole shadow galaxy and not even know it.

The turnabout shouldn’t really come as much of a surprise. Galileo began chipping away at humans’ sense of self-importance a full five centuries ago, when he proved that Earth does not sit at the center of the universe, no matter how things look to us. Yet the tendency to judge the cosmos based on appearances (and assumptions of our primacy) has proved tenacious.

In the 1930s, the iconoclastic Swiss-American astronomer Fritz Zwicky collected the first evidence for dunkle Materie — dark matter. It took another 40 years before his colleagues grudgingly began embracing the idea, persuaded by new evidence that rotating galaxies would fly apart without the stabilizing gravitational attraction of dark matter. Not until the 1980s did nearly all astronomers accept that dark matter is real, and that it substantially outweighs the visible cosmos.

At that point, a small but growing number of researchers began attempting to understand, measure and map the shadow world. One approach, pioneered by astrophysicist Anthony Tyson at Bell Labs in the 1990s, crudely located dark matter by the way its gravity distorted the light of visible galaxies. The next decade, studies of the cosmic microwave background (the relic radiation from the Big Bang) by the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, or WMAP, provided a new way to measure the total amount of dark matter this is the same technique that the Planck spacecraft built upon to come up with its more precise cosmic breakdown. Meanwhile, an underground Italian lab experiment called the DAMA (DArk MAtter) Project sought evidence of dark matter particles colliding headlong into atoms right here on Earth.

And still, none of those efforts did much to alter the basic assumption that dark matter was fundamentally simple and rather dull.

Weniger’s research, on the other hand, is seriously shaking things up. In January 2012, he and four collaborators were combing through 43 months of data from Fermi, a NASA space observatory that scans the sky for gamma rays — radiation similar to light, but far more energetic. One unusual signal starkly stood apart from the others. Again and again, Fermi recorded gamma rays of a very specific energy, 60 billion times as potent as ordinary yellow light.

Random cosmic violence tends to produce radiation of all different energies, equivalent to the roar of waves on the beach. This signal was totally different. It was more like the beep-beep-beep of a distress call. Weniger kept checking and rechecking his results. The gamma rays looked like the long-theorized flash of dark particles crashing into and destroying each other, which his team described as the “smoking gun signature” of dark matter. Mindful of the grand implications of this claim, Weniger continues to monitor the Fermi data. “It would be truly amazing if this turns out to be a real signal,” he says.

After Weniger announced what he and his team were seeing, more than 100 other papers followed as other scientists tried to confirm that the signal really exists and, if so, figure out what it means. Harvard’s Fan and Randall were inspired by that frenzy. Their key insight was discarding the old idea that dark matter is one thing and one thing only. That was when they recognized that some dark matter might not be so simple. A secondary component (as much as one-sixth of the total dark matter) might be able to interact, collapse and form a hidden, dark disk within the visible disk of our galaxy the theorists therefore call it “double disk” dark matter.

Double-disk dark matter could do many of the same complex things that ordinary matter does. And there is so much dark matter overall that the secondary kind could weigh as much as all of the visible parts of the universe. “The fact that nobody had thought about this before is incredible,” Randall says. “What’s really fun about this idea is that it opens up a whole new world.”

Vision From the Other Side

Getting mainstream scientists to move past their light-matter chauvinism and take that shadow world seriously will require some highly convincing evidence. Weniger frets that the Fermi observations are too ambiguous to do the trick. “What one needs is more data with the same experiment to establish that the signal is there,” he says.

Harvard astronomer Douglas Finkbeiner is making an independent analysis of the Fermi data and likewise is finding that his results hang halfway between verification and falsification. “It’s the most frustrating possible outcome,” he sighs. “One option is that the signal is just not as bright as we thought it was.”

Randall is ready to forge ahead regardless of the fate of this particular observation. “The gamma ray line may not stay, but this just turns out to be independently such an interesting scenario, with so many interesting implications,” she says. And if our galaxy really does live right on top of a shadow galaxy, there are other ways to prove it.

Researchers are working on a new European space observatory called Gaia, scheduled to launch this autumn, which should perform a particularly telling test. Gaia will map the locations and velocities of about 1 billion stars within the Milky Way. Searching for anomalous motions could shade in the outlines of an invisible, dense disk of dark matter pulling on those stars.

Even then, we will have only scratched the surface of our galaxy’s dark side. The only sure thing is that we will never know unless we explore all the possibilities. In that spirit, Finkbeiner cites an old friend and fellow dark matter visionary, Neal Weiner at New York University. Weiner spins stories about Professor Dark Matter, a researcher from the other side who has formulated a far-out theory about a missing ingredient in the universe called “visible matter.” The professor accurately describes all the details of our world to her incredulous colleagues — with the end result that she fails to get tenure.

“Imagine a dark academic working in a dark lab trying to come up with a detector for visible matter,” Finkbeiner says. “It’d be a pretty difficult thing.” Then he pauses a beat, pondering the fate of the poor professor and still struggling to set aside his own light-matter prejudices.

[This article originally appeared in print as "Darklands of the Cosmos."]


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