Matière noire : pour la première fois on forme des galaxies, sans elle et avec Mond

 

Laurent Sacco

Journaliste

Publié le 10/02/2020

Pour la première fois, des chercheurs des universités de Bonn et de Strasbourg ont simulé la formation de galaxies sur ordinateur en utilisant des lois de la gravité de Newton modifiées dans le cadre de Mond. Les galaxies avec disque qui ont été créées sans matière noire sont similaires à certaines que nous voyons actuellement.

D'après les lois de la gravitation de Newton, en fonction de la distribution des étoiles et même des nuages de gaz que l'on détecte dans les disques des galaxies, ces étoiles et ces nuages devraient tourner de moins en moins vite au fur et à mesure que l'on s'éloigne du centre des galaxies autour desquelles ils sont en orbite. Ce n'est pas le cas, ce qui a fait supposer qu'il devait y avoir une importante quantité de matière qui ne rayonne pas, ou quasiment pas, en quantité bien supérieure à la matière normale dite baryonique qui compose étoiles et nuages de gaz. On peut ainsi rendre compte des observations en imaginant que les galaxies spirales sont plongées dans un halo de cette matière noire, puisqu'elle n'émet pas de lumière, de forme sphérique.

On trouve un problème similaire avec les vitesses des galaxies dans les amas galactiques. Elles sont trop rapides pour que ces astres forment des systèmes gravitationnellement liés, à moins, là aussi, de supposer que les amas sont plongés dans un halo de matière noire bien plus massif et dont le champ de gravité empêche les galaxies formées de baryons de s'échapper des amas.

Il n'est pas possible de rendre compte des particules de matière noire en supposant qu'il s'agit encore de particules connues, principalement des noyaux et des atomes d'hydrogène et d'hélium, sans entrer en contradiction avec les calculs de la nucléosynthèse primordiale de la théorie du Big Bang, laquelle conduit à de nombreuses prédictions couronnées de succès. Les particules de matière noire devraient donc relever d'une physique exotique, encore jamais vue dans des collisions de particules dans des accélérateurs comme le LHC ou dans des détecteurs comme Xenon 1T.

Sur ce schéma, est représentée en pointillés la courbe des vitesses de rotation des étoiles (starlight) dans une galaxie déduite de la répartition de ces étoiles dans le disque. Les observations ne valident pas cette déduction. En effet, les étoiles détectées dans le visible tournent plus vite, tout comme les nuages d'hydrogène repérés grâce à la fameuse raie à 21 cm. Les vitesses sont ici en km/s et les distances en milliers d'années-lumière (ly sur le schéma). © Wikipédia, DP 

Nouvelles particules ou nouvelle dynamique ?

Ces particules sont restées indétectables et c'est en partie pourquoi depuis une décennie, une autre hypothèse proposée dès le début des années 1980 par le physicien israélien Mordehai Milgrom a été considérée de plus en plus sérieusement. Il s'agit en fait d'un cadre pour différentes théories où on les rassemble souvent sous la dénomination de Modified Newtonian dynamics (Mond). Comme son nom l'indique, il s'agit de modifier les équations de mécanique céleste de Newton de telle sorte qu'à grande distance d'un corps attracteur, l'accélération produite par son champ de gravitation sur un autre corps ne décroît pas de la même façon que dans le cadre de la physique de Newton. De cette manière, les étoiles dans une galaxie peuvent tourner plus vite autour de son centre, comme s'il y avait une masse plus importante mais invisible alors que ce n'est pas le cas.

La théorie Mond a rencontré de nombreux succès ces dernières années, notamment parce qu'elle rend mieux compte, par exemple, des observations concernant les galaxies naines autour d’Andromède et de la Voie lactée. Futura a consacré de nombreux articles à Mond en donnant la parole à plusieurs reprises à l'un des chercheurs qui explorent cette alternative au modèle de la matière noire froide, l'astrophysicien Benoît Famaey (qui travaille sur la dynamique des galaxies à l'observatoire de Strasbourg). Avec son collègue Stacy McGaugh, il a ainsi rédigé un article de fond sur le sujet pour Living Reviews in Relativity.

Aujourd'hui Benoit Famaey et ses collègues de l'université de Bonn, Nils Wittenburg et Pavel Kroupa, viennent de publier un article impressionnant dans le célèbre Astrophysical Journal dans lequel les chercheurs annoncent qu'ils ont fait la première simulation de la formation des galaxies dans le cadre de Mond, donc sans faire usage de matière noire. Ce n'est pas la première fois que l'on fait des simulations de galaxies et de leur évolution dans ce cadre. On peut citer à cet égard les travaux de l'astrophysicienne française Françoise Combes professeur au Collège de France à la chaire « Galaxies et cosmologie », en compagnie de son collègue Olivier Tiret au cours des années 2000.

Un extrait de la simulation montrant la formation d'une galaxie en forme de disque et son évolution sur plusieurs milliards d'années dans le cadre de la théorie Mond. On la voit ici perpendiculairement au plan du disque. © Nils Wittenburg

Des galaxies spirales réalistes avec Mond

Mais ces simulations partaient de disques galactiques déjà préformés alors que dans le cas des travaux que l'on peut consulter en accès libre sur arXiv, on forme des étoiles puis des galaxies ab initio, c'est-à-dire à partir de concentrations en matière ordinaire telles qu'elles devaient être quelques centaines de milliers d'années après le Big Bang, comme l'explique un communiqué de l'université de Bonn à ce sujet. Tout comme dans le cadre du scénario de la cosmologie standard, ces concentrations s'effondrent sous l'effet de leur propre gravité, mais dans le cas présent, ce n'est plus sous l'effet de la gravité newtonienne.

Pour rendre leur simulation encore plus réaliste avec Mond, les trois astrophysiciens ont inclus les effets de la matière baryonique, c'est-à-dire ceux du rayonnement des étoiles sur le gaz qui permet leur formation ainsi que le souffle des explosions de supernovae. On sait que ces processus peuvent conduire à des résultats substantiellement différents sur la formation des galaxies comme le prouve le paradigme des courants froids.

Pavel Kroupa explique en ces termes ce qui a émergé des simulations numériques conduites avec le code baptisé Phantom of RAMSES (POR) : « À bien des égards, nos résultats sont remarquablement proches de ce que nous observons réellement avec les télescopes. De plus, notre simulation a principalement abouti à la formation de galaxies en forme de disques en rotation comme la Voie lactée et comme presque toutes les autres grandes galaxies que nous connaissons... Les simulations avec matière noire, par contre, créent principalement des galaxies sans disques bien distincts - une divergence avec les observations qu'il est difficile d'expliquer. »

Mais devant ces beaux résultats, toujours dans le communiqué de l'université de Bonn, Pavel Kroupa incite à la prudence car tout repose sur des hypothèses qu'il reste à connecter de manière solide aux conditions initiales concernant les fluctuations de densité de matière juste après le Big Bang. Il reste du travail à faire pour y voir plus clair de sorte que les simulations actuelles ne sont qu'un premier pas en direction d'une véritable cosmologie basée sur Mond expliquant l'origine des galaxies.

Un extrait de la simulation montrant la formation d'une galaxie en forme de disque et son évolution sur plusieurs milliards d'années dans le cadre de la théorie Mond. On la voit ici parallèlement au plan du disque. Contrairement aux modèles avec matière noire, l'effet de changements dans la dynamique des baryons ne semble pas conduire à des résultats très différents pour les galaxies. © Nils Wittenburg

 

CE QU'IL FAUT RETENIR

• Des particules de matière noire froide ne sont peut-être pas nécessaires pour expliquer l'ensemble des observations qui aujourd'hui sont décrites par le modèle cosmologique standard avec cette matière exotique encore jamais vue sur Terre.
• On peut aussi employer des modifications des lois de la mécanique céleste de Newton dans le cadre de la théorie Mond pour rendre compte de certaines de ces observations.
• Aujourd'hui, des simulations numériques réalistes basées sur Mond et sans matière noire font même naître des galaxies ressemblant à la Voie lactée.

Source: https://www.futura-sciences.com/
Lien: https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/matiere-noire-matiere-noire-premiere-fois-on-forme-galaxies-elle-mond-79534/?fbclid=IwAR1OLcSxzD99Lg089KziAyIeUaxHGARMG7m8yYCOSxMKBVVQ-kb10eRoQUA#utm_content=futura&utm_medium=social&utm_source=facebook.com&utm_campaign=futura

Confusion constante: de nouvelles études approfondissent le mystère de l'expansion de l'univers

Les astronomes mesurant la luminosité des étoiles géantes rouges ont indépendamment déterminé la vitesse de l'expansion de l'univers.

Par Robert Naeye  | Publication: mardi 16 juillet 2019

Les astronomes ont utilisé une méthode de mesure des étoiles géantes rouges pour déterminer la vitesse de l'expansion de l'univers.

Norval Glover / Université de Chicago

Si vous êtes confus par la cosmologie moderne, vous n'êtes pas seul. Les cosmologistes eux-mêmes sont confus et deux nouveaux résultats, utilisant des méthodes très différentes, ajoutent à leur perplexité collective. Les résultats sont des mesures de la vitesse à laquelle l'univers se développe, connue sous le nom de constante de Hubble. Ces dernières années, les astronomes continuent de trouver des réponses étrangement différentes à cette question fondamentale.

Dans une recherche très attendue publiée mardi et prévue pour publication dansL'Astrophysical Journal , un groupe dirigé par Wendy Freedman de l'Université de Chicago, a constaté que notre cosmos s'étend à un taux de 69,8 kilomètres par seconde par mégaparsec, où un mégaparsec équivaut à 3,26 millions d'années-lumière.

Mais dans une autre étude publiée la semaine dernière sur arXiv , un site Web en accès libre, un consortium international connu sous le nom de H0LICOW dirigé par Kenneth Wong de l'Université de Tokyo et Sherry Suyu du Max Planck Institute en Allemagne, a mesuré le taux d'expansion de l'univers à 73,3. kilomètres par mégaparsec.

Les résultats sont proches, mais ils ne correspondent pas exactement à la satisfaction de tous. Les deux équipes ont essentiellement posé de nouveaux jalons dans un domaine qui fait l'objet de controverses depuis des décennies. Et ils alimentent une tension croissante entre les groupes qui utilisent différentes méthodes pour mesurer l'expansion cosmique.
 

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Vous pouvez en savoir plus sur la lutte pour déterminer la vitesse à laquelle l'univers se développe et ce que cela signifie La tension au cœur de la cosmologie ,directement issue des pages dumagazineAstronomy.

 

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Les enjeux sont élevés. De petits changements à la constante de Hubble affectent la meilleure estimation de la science pour l'âge de l'univers par des centaines de millions d'années. Et si les astronomes peuvent clouer la constante de Hubble à la satisfaction de tous, ils pourraient aider à révéler la nature de la mystérieuse énergie sombre qui accélère l'expansion cosmique.

Les astronomes ont utilisé le télescope spatial Hubble pour comparer la luminosité des étoiles géantes rouges éloignées à la luminosité des étoiles voisines. Parce que ces anciennes étoiles ont la même luminosité, les scientifiques peuvent utiliser leur lumière comme une «bougie standard» pour savoir à quelle distance leur galaxie hôte est éloignée de la Terre. Ce résultat peut ensuite être comparé au taux de récession apparent des galaxies, offrant une mesure de la vitesse à laquelle notre univers se développe. Les géants rouges, trouvés dans les halos de leur galaxie, sont représentés ici dans des cercles jaunes.

NASA, ESA, W. Freedman (Université de Chicago), ESO et le Digitized Sky Survey

Une nouvelle mesure

Freedman et son équipe ont utilisé une nouvelle méthode pour déterminer la constante de Hubble. Ils ont utilisé le télescope spatial Hubble et d'autres instruments pour mesurer la luminosité des étoiles géantes rouges les plus brillantes à la périphérie d'autres galaxies. Ces anciens soleils sont des objets relativement simples avec une luminosité presque uniforme et bien connue, de sorte que les astronomes peuvent convertir des mesures de luminosité précises en distances.

Cette méthode diffère des efforts précédents, y compris le projet clé du télescope spatial Hubble de Freedman il y a deux décennies. Au lieu d'étudier les géantes rouges, d'autres équipes ont suivi notre univers en expansion en utilisant des céphéides, qui sont de jeunes étoiles dont la luminosité varie périodiquement. Des mesures récentes utilisant des céphéides ont trouvé la constante de Hubble à environ 73. Et en avril, l'équipe SH0ES, dirigée par le prix Nobel Adam Riess du Space Telescope Science Institute et de l'Université Johns Hopkins, a mesuré un taux de 74. Les

astronomes se seraient attendus à ce que méthodes géantes rouges et céphéides pour donner la même réponse. Mais ils sont juste assez loin pour être cosmologiquement significatifs. La raison de cet écart, explique Riess, est que son groupe et le groupe de Freedman ont utilisé différentes méthodes pour tenir compte des effets d'atténuation de la poussière.

Riess dit que si l'équipe de Freedman avait utilisé la même méthode, leur résultat constant de Hubble correspondrait presque à celui de SH0ES. "Ce résultat me donne en fait plus de confiance dans notre résultat", dit-il.

En contraste, l'équipe H0LICOW utilise une stratégie totalement indépendante qui s'appuie sur la géométrie plutôt que d'observer des étoiles individuelles dans d'autres galaxies. H0LICOW surveille des quasars distants - des trous noirs supermassifs actifs au cœur de grandes galaxies - qui ont été cristallisés par gravitation par des galaxies de premier plan. L'effet de déformation spatio-temporelle de ces galaxies massives crée des lentilles qui divisent la lumière, créant ainsi plusieurs images du même quasar. En conséquence, la lumière de chaque image prend un chemin différent pour atteindre la Terre. En observant les différentes images des quasars scintiller de luminosité au cours des mois et des années, les astronomes H0LICOW ont mesuré une constante de Hubble de 73,3.

«Nos résultats concordent très bien avec ceux de SH0ES», note Suyu.

Le fait que H0LICOW et SH0ES dérivent le même taux d'expansion (dans leurs marges d'erreur) malgré l'utilisation de méthodes radicalement différentes donne une grande confiance que la constante de Hubble se situe quelque part entre 73 et 74. Si la méthode du géant rouge peut d'une manière ou d'une autre être introduite dans Conformément à ces autres méthodes, les astronomes considéreront probablement la constante de Hubble comme un problème résolu.

Cette carte du rayonnement de fond micro-ondes cosmique montre les fluctuations de température qui correspondent à différentes densités à travers notre univers.

SPTpol

Puzzle de planche

Mais il y a encore un autre résultat qui ne correspond pas tout à fait à cette image rose. Il y a plusieurs années, une équipe internationale analysant des données très différentes du satellite Planck de l'Agence spatiale européenne a trouvé une constante Hubble de 67,4, avec seulement une petite marge d'incertitude.

Avec Planck, les cosmologistes ont effectué des mesures ultra-précises du motif moucheté du fond micro-ondes cosmique, le rayonnement résiduel du Big Bang. La carte résultante fournit une mine d'informations sur la matière noire, la matière atomique et l'énergie noire qui composent l'univers. En mesurant les rapports de ces ingrédients cosmiques de Planck, les cosmologistes peuvent prédire ce que devrait être la constante de Hubble.

Mais les résultats H0LICOW et SH0ES sont supérieurs à la prédiction de Planck de 67,4, une disparité qui, selon Riess, n'a qu'une chance sur 100 000 de résulter d'erreurs de mesure. Il pense que l'écart est probablement dû à une nouvelle physique inconnue et peut-être très excitante.

Freedman note que le résultat de son équipe se situe entre le bas et le haut de gamme, mais ils sont encore légèrement plus proches de ceux de Planck. Cependant, elle n'écarte pas la possibilité que de légères erreurs de mesure d'une ou plusieurs équipes soient responsables des différentes constantes Hubble.

«Je pense que ces résultats montrent que si vous ne comptez que sur une seule méthode, vous risquez de manquer quelque chose de systématique qui est difficile à découvrir avec une seule méthode», dit-elle. "C'est pourquoi vous avez besoin de méthodes indépendantes."

Pour sa part, Suyu note que le problème reste loin d'être résolu: «Le défi constant de Hubble se poursuit alors que chaque sonde / équipe essaie de réduire les incertitudes de leurs mesures et de contrôler leurs erreurs systématiques. De nouvelles sondes indépendantes de la constante de Hubble seraient également très précieuses. »

Source: http://www.astronomy.com
Lien: http://www.astronomy.com/news/2019/07/constant-confusion-new-studies-deepen-mystery-of-universes-expansion?utm_source=asyfb&utm_medium=social&utm_campaign=asyfb&fbclid=IwAR12URdSWQWzR90QNs6h4J1O45DgkeuXLcboWQJaCCCKy6ezRo3GzQhZsP0

Hubble révèle que les galaxies sans matière noire existent vraiment

La nouvelle recherche pourrait avoir des implications dramatiques pour la formation des galaxies.

Par Jake Parks  | Publication: vendredi 18 octobre 2019

SUJETS CONNEXES: MATIÈRE NOIRE | GALAXIES | COSMOLOGIE

Cette nouvelle image incroyablement profonde de Hubble montre la galaxie sombre et diffuse NGC 1052-DF4. De nouvelles recherches présentent les preuves les plus solides à ce jour que cette étrange galaxie est essentiellement dépourvue de matière noire.

NASA / ESA / STScI / S. Danieli et al.

Les astronomes ont pratiquement confirmé que l'univers possède au moins une galaxie qui manque cruellement de matière noire . La nouvelle découverte indique non seulement que les galaxies peuvent vraiment exister sans matière noire, mais soulève également des questions fondamentales sur la façon dont ces galaxies bizarres se forment en premier lieu.

La recherche , publiée le 16 octobre sur le site de préimpression arXiv, a utilisé l'œil vif de Hubble pour prendre de nouvelles images profondes de la galaxie fantomatique NGC 1052-DF4 (ou DF4 pour faire court). Équipés de nouvelles observations, les chercheurs ont identifié les étoiles géantes rouges les plus brillantes de la galaxie bizarre (appelées la pointe de la branche géante rouge, ou TRGB ). Parce que les étoiles brillent toutes TRGB avec la même luminosité vraie vue dans l' infrarouge, la seule chose qui devrait affecter la façon dont ils lumineux apparaissent est leur distance.

Ainsi, en identifiant le TRGB de la galaxie et en l'utilisant pour déterminer la distance de DF4, les nouvelles données confirment essentiellement que la galaxie est située à environ 61 millions d'années-lumière. Et selon les chercheurs, cela démystifie essentiellement d'autres études qui affirment que DF4 est beaucoup plus proche et contient donc une quantité normale de matière noire.

"Je pense que c'est définitif", a déclaré à Astronomy par e-mail le co-auteur Pieter van Dokkum de l'Université de Yale . "Le TRGB ne peut pas être contesté: il est causé par une physique stellaire bien comprise, et [est] aussi direct que les indicateurs de distance."

Mais l'astronome Ignacio Trujillo de l'Instituto de Astrofisica de Canarias est sceptique quant à la conclusion de van Dokkum. "Ils doivent montrer que leur analyse n'est pas biaisée pour produire d'abord une grande distance", a-t-il déclaré. "Je pense qu'il y a un certain nombre de choix que les auteurs ont utilisés qui ne sont pas justifiés. Tous ces choix semblent être choisis pour favoriser une distance plus grande que ce que les données suggèrent."

 

Le débat sur les galaxies sans matière noire

 

Au cours des dernières années, une controverse a éclaté dans la communauté astronomique. En 2018, van Dokkum et son équipe sont tombés sur une galaxie fantomatique, surnommée DF2 , qui semblait manquer de toute quantité importante de matière noire . Et parce que la matière noire représenterait environ 85% de toute la matière dans l'univers, la découverte apparente de la première galaxie sans la substance insaisissable a soulevé beaucoup de sourcils.

Trujillo est l'un de ces sceptiques. Intrigués par l'extraordinaire revendication d'une galaxie sans matière noire, Trujillo et son équipe ont rapidement effectué leur propre analyse de DF2. Sur la base d'une variété de méthodes, l'équipe de Trujillo a déterminé que DF2 était en réalité beaucoup plus proche que l'équipe de van Dokkum ne l'avait prétendu - à environ 42 millions d'années-lumière au lieu de 61 millions d'années-lumière. Selon Trujillo, dans une étude de 2019 , cela signifiait que DF2 n'était pas aussi étrange qu'on le pensait au départ, et cache à la place autant de matière noire que vous attendez de votre galaxie moyenne et banale.

Mais six jours plus tard, l'équipe de van Dokkum a publié une autre étude identifiant une deuxième galaxie , nommée DF4 , qui était située à la même distance que DF2 et qui manquait également de matière noire. Encore une fois, Trujillo et ses collègues ont calculé leur propre distance au DF4 . Sur la base des données Hubble disponibles à l'époque, le camp de Trujillo a identifié ce qu'il pensait être le TRGB de DF4. Mais selon les données Hubble nouvellement présentées - qui ont ramassé beaucoup plus d'étoiles beaucoup plus faibles - l'équipe de Trujillo a peut-être mal identifié le TRGB.    

"Dans les nouvelles données, il n'y a vraiment aucune ambiguïté", explique l'auteur de l'étude Shany Danieli de l'Université de Yale . "Nous pensons que les nouvelles données excluent vraiment la [distance plus courte dérivée par le groupe de Trujillo]. Le TRGB est généralement considéré comme définitif, car sa physique est bien comprise."

Que signifie une galaxie sans matière noire?

Si ces derniers résultats résistent à l'examen qui est susceptible de se produire, découvrir la première (et peut-être la deuxième) galaxie sans matière noire changerait fondamentalement notre compréhension de la façon dont nous pensons que les galaxies se forment et évoluent.

« [DF4 et DF2] le point à un autre canal pour la construction de galaxies - et elles soulèvent même la question de savoir si nous comprenons ce qu'est une galaxie est » , dit van Dokkum. À l'heure actuelle, dit-il, nous pensons que les galaxies commencent par la matière noire, c'est ainsi qu'elles sont capables d'attirer par gravité les quantités massives de gaz et de poussière nécessaires pour démarrer la formation des étoiles.

"Le fait est que nous n'avons aucune idée de la façon dont la formation des étoiles se déroulerait en l'absence de matière noire", explique van Dokkum. "Tout ce que nous pouvons dire, c'est qu'il devait y avoir un gaz très dense au début de leur histoire", sinon les galaxies ne pourraient pas créer de nouvelles étoiles.

Mais cette dernière détermination de la distance à DF4 est-elle vraiment assez robuste pour commencer à explorer les implications de la découverte d'une galaxie sans matière noire?

"Oui, c'est notre espoir. Nous aimerions nous déplacer pour discuter de la signification de ces galaxies, plutôt que de savoir si nos mesures étaient correctes", dit Danieli.

"Cela dit", a-t-elle ajouté, "nous sommes entièrement d'accord avec tout le monde sur le fait que" les revendications extraordinaires nécessitent des preuves extraordinaires "".

[Note de l'éditeur: cette histoire a été mise à jour pour inclure les commentaires d'un chercheur extérieur.]

Source: http://www.astronomy.com
Lien: http://www.astronomy.com/news/2019/10/hubble-reveals-that-galaxies-without-dark-matter-really-exist?utm_source=asyfb&utm_medium=social&utm_campaign=asyfb&fbclid=IwAR08ayJhK0aZOSY4rEoEGHOwUnEEIf_zLp_-ycW6YA1g14Jx1h5GhCeMQu4