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

Pourquoi la matière noire n'obscurcit-elle pas la lumière?

Publication: mardi 7 janvier 2020

SUJETS CONNEXES: MATIÈRE NOIRE

La lentille gravitationnelle se produit lorsqu'un objet de premier plan, comme cette galaxie rouge, déforme l'espace-temps qui l'entoure, ce qui fait que la lumière d'un objet d'arrière-plan - la galaxie bleue éloignée - apparaît courbée lors de son déplacement dans l'espace-temps incurvé. Les astronomes peuvent utiliser des lentilles gravitationnelles pour confirmer la présence de matière noire, même si elle ne semble pas se diffuser ou interagir avec la lumière.

ESA / Hubble et NASA

Q: Si 85% de la masse de l'univers est constituée de matière noire, pourquoi n'obscurcit-elle pas la lumière des objets éloignés? Comment ce matériau n'a-t-il pas pu diffuser la lumière?

Jerome Handley

Turlock, Californie

UNE: La matière noire est appelée «sombre» car elle ne dégage pas ni n'interagit avec la lumière, y compris par diffusion. C'est simplement la nature de la matière noire et pourquoi elle est si difficile à étudier. Mais certains modèles de matière noire indiquent qu'en de rares occasions, les particules de matière noire peuvent être capables d'interagir avec la matière normale, y compris en diffusant la lumière.

Les astronomes savent que la matière noire est en grande partie située dans des halos sphériques qui renferment des galaxies (plus à ce sujet dans un instant). Si la matière noire dans ce halo disperse la lumière stellaire de la galaxie, même rarement, elle pourrait créer une faible lueur, comme le halo d'une lumière vue dans un épais brouillard. Les chercheurs ont recherché cette lueur mais jusqu'à présent ne l'ont pas vue. Une possibilité est que la lueur est difficile à voir aux longueurs d'onde optiques, ce sur quoi les études antérieures se sont concentrées. Les scientifiques pensent qu'une telle lueur, si elle existe, pourrait être plus facile à détecter à des longueurs d'onde infrarouges plus longues, mais aucune étude avec la sensibilité nécessaire pour voir cette faible lumière diffusée n'a encore été réalisée. 

Cependant, la matière noire a une masse et sa gravité peut influencer la matière et la lumière. Ainsi, la matière noire contribue à un phénomène appelé lentille gravitationnelle, dans lequel la masse d'une galaxie - y compris sa matière normale et sombre - provoque la courbe de l'espace-temps autour d'elle. Comme la lumière d'un objet en arrière-plan, comme une galaxie plus éloignée, rencontre cet espace-temps incurvé, elle semble se plier, ce qui déforme et peut même multiplier l'image de l'objet en arrière-plan. Les astronomes observent cet effet, et en comparant la quantité de gravité nécessaire pour faire la flexion avec la quantité de matière visible, ils l'ont utilisé pour confirmer que les galaxies sont enveloppées dans des halos massifs de matière noire.

Alison Klesman

Éditeur associé

Source: http://www.astronomy.com
Lien: http://www.astronomy.com/magazine/ask-astro/2020/01/why-doesnt-dark-matter-obscure-light?utm_source=asyfb&utm_medium=social&utm_campaign=asyfb&fbclid=IwAR2SXVkz4ZqaIFVm3S7U78Qt_ybQQUrVCtGSI09q8yn17H6k-qBp7V1VBFc

La matière noire a peut-être percé un trou dans la voie lactée

Une boule de destruction de matière noire 5 millions de fois la masse du Soleil pourrait être la meilleure explication d'un flux d'étoiles perturbé.

Par Jake Parks  | Publication: mercredi 12 juin 2019

SUJETS CONNEXES: MATIÈRE NOIRE | MILKY WAY | ÉTOILES

Le rendu d'un artiste montre le halo de matière noire (bleu) qui, selon les astronomes, entoure la Voie lactée.

ESO / L. Calçada

Un amas massif de matière noire peut avoir traversé une ligne d'étoiles conga qui circulent autour de la Voie lactée, selon de nouvelles recherches présentées mardi lors de la 234e réunion de l'American Astronomical Society.

La recherche, dirigée par Ana Bonaca du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, révèle une curieuse anomalie dans un flux d'étoiles par ailleurs uniforme en orbite dans le halo extérieur de la Voie lactée. Plus précisément, les chercheurs ont trouvé une étrange anomalie dans le flux qui, selon eux, a été causée par une «rencontre rapprochée avec un perturber massif et dense», selon le résumé de la présentation .

Parce qu'il n'y a pas de coupables évidents en matière normale qui correspondent au projet de loi, les chercheurs pensent que l'objet intermédiaire pourrait être une goutte de 5 millions de masse solaire de matière noire qui a déchiré le cours d'eau à plus de 500 000 miles (800 000 kilomètres) par heure environ il y a un demi-milliard d'années.

Bien que cette théorie soit loin d'être confirmée, l'observation unique ouvre la porte à la possibilité d'utiliser des courants stellaires comme celui-ci pour restreindre les propriétés de la matière noire dans la Voie lactée. Par exemple, si c'était vraiment de la matière noire qui traversait ce ruisseau stellaire, Bonaca dit que cela suggérerait que la matière noire est «froide», ce qui signifie qu'elle est lourde, se déplaçant relativement lentement (non relativiste) et s'agglomère efficacement.

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Le magazine d' astronomie s'est associé à Jon Lomberg, artiste lauréat d'un Emmy Award, pour proposer Galactic Tidal Star Streams . Cette affiche est la première et la seule œuvre d'art montrant des courants d'étoiles de marée galactiques, qui se produisent lorsque les grandes galaxies arrachent les étoiles aux plus petites et les consomment. Vous pouvez obtenir cette impression 16 "x 20" sur MyScienceShop.com aujourd'hui!

 

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Une balle cosmique

Pour mener à bien l'étude, Bonaca et son équipe ont utilisé les données de l'observatoire spatial Gaia de l'ESA, qui a observé plus d'un milliard d'objets avec une précision inégalée. À l'aide de ces données, ils ont cartographié les positions et les mouvements des étoiles dans le flux stellaire GD-1, qui, selon les astronomes, sont les restes d'une collection de 70 000 masses solaires de vieilles étoiles (appelées amas globulaires) qui ont été déchiquetées par les interactions gravitationnelles passées avec la Voie lactée.

Après avoir remarqué que GD-1 a une cicatrice d'impact - une ligne d'étoiles éjectées - qui indique une interaction passée, les chercheurs ont effectué des simulations pour essayer de reproduire ce qu'ils ont vu. Après avoir testé une variété de modèles, ils ont découvert que la gravité d'un objet des millions de fois plus massive que le Soleil ferait l'affaire.

L'équipe est naturellement partie à la recherche de l'objet responsable. "Tout objet massif et dense en orbite dans le halo pourrait être le perturbe", a déclaré Bonaca à Astronomy, "donc un trou noir supermassif errant est certainement une possibilité." Mais jusqu'à présent, l'équipe n'a pas réussi à trouver des objets, des trous noirs ou autres , avec la bonne trajectoire et la bonne masse.

Selon une préimpression de leur article , «Les intégrations d'orbite dans le temps montrent que la rencontre du ruisseau ne pourrait pas avoir été causée par un amas globulaire connu ou une galaxie naine.» Cela a conduit l'équipe à conclure que «l'explication la plus plausible» est que GD- J'ai eu une rencontre passée avec un amas de matière noire, comme ceux qui devraient résider dans les halos des galaxies.

Toujours en chasse

Bonaca admet que les recherches actuelles ne sont pas concluantes. "Cependant, si nous pouvons localiser le perturber maintenant, cela ouvrirait de nouvelles directions de recherche, y compris la recherche de preuves d'observation supplémentaires [indiquant qu'il s'agit de matière noire]." Ces preuves pourraient prendre la forme d'autres étoiles ou de nuages ​​de gaz bousculés. par la gravité de la matière noire, ou même des rayons gamma associés à des annihilations de matière noire, qui se produisent lorsque deux particules de matière noire s'entrechoquent et se détruisent, libérant un éclair d'énergie.

Bonaca dit que son équipe a récemment obtenu des mesures du mouvement des étoiles dans la partie perturbée du ruisseau. En cartographiant où se trouvent maintenant les étoiles et comment elles se déplacent, l'équipe devrait être en mesure de mieux calculer où le perturber pourrait se trouver maintenant pour la localiser. Cela leur dirait qu'ils étaient dans le ciel pour rechercher cette preuve supplémentaire que le boulet de canon cosmique est en effet de la matière noire.

 

Mais comme il n'y a actuellement qu'un seul flux d'étoiles perturbé à étudier, Bonaca et son équipe recherchent également plus de données Gaia pour rechercher d'autres exemples comme GD-1. En fait, ils ont récemment trouvé un autre ruisseau appelé Jhelum , qui a également une structure étrange. Cependant, Bonaca dit qu'ils ne disposent pas actuellement d'une bonne explication de ce qui aurait pu arriver à ce flux.

Cette recherche a été acceptée le 6 juin pour publication dans le Astrophysical Journal . Une version mise à jour de la recherche devrait être publiée prochainement sur le site de préimpression arXiv.org .

Source: http://www.astronomy.com
Lien: http://www.astronomy.com/news/2019/06/dark-matter-may-have-punched-a-hole-in-the-milky-way?utm_source=asyfb&utm_medium=social&utm_campaign=asyfb&fbclid=IwAR0eNqfDZkdrv4PKDVZI8crxWEMZ4vIXyU85AzfLkCyQ_pUwpoE8y-LoC-s

 

 

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