Astronomie

Courbe de rotation de la galaxie et matière noire

Courbe de rotation de la galaxie et matière noire


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Je lis "The Essential Cosmic Perspective" de Jeffrey O. Bennett, Megan O. Donahue, Nicholas Schneider, Mark Voit. Au chapitre 14, il est indiqué qu'une preuve de la présence de matière noire dans notre galaxie est que la courbe de rotation ne correspond pas à celle obtenue par calcul. Dans le calcul, la formule suivante est utilisée $$M_r=frac{rv^2}{G}$$ où $M_r$ est la masse enfermée dans un rayon $r$ du centre galactique.

Je crois comprendre que l'équation ci-dessus est le résultat du théorème de la coque. Mais nous savons que le théorème des coquilles s'applique uniquement à la distribution de masse à symétrie sphérique, et la plupart des galaxies sont des disques. Alors pourquoi pouvons-nous encore faire cela?


Nous ne pouvons pas. C'est une simplification excessive qui n'est utilisée que dans les traitements élémentaires simplement pour donner la saveur de l'argument. Si vous le voyez quelque part dans la littérature arbitrée, c'est probablement incorrect. Bien sûr, il peut être vrai que la masse est presque à symétrie sphérique, surtout si elle est dominée par une composante de matière noire à symétrie sphérique, mais que la lumière visible ne l'est pas. Ou, il peut être vrai qu'à de grandes distances, même à partir d'une distribution de masse asymétrique, un potentiel képlérien est une bonne approximation pour les orbites d'objets distants (par exemple, les galaxies satellites de la Voie lactée). Une courbe de rotation de galaxie mesurée ne fait pas une telle hypothèse, c'est simplement une mesure de la vitesse de rotation en fonction du rayon. Seules l'interprétation et la modélisation doivent traiter de la distribution de masse.

La situation réelle est beaucoup plus complexe. Voir par exemple http://ned.ipac.caltech.edu/level5/March01/Battaner/revision.html

Cependant, même si l'on supposait que toute la masse était concentrée dans une forme semblable à un disque, la seule façon d'obtenir des courbes de rotation plates est de supposer que la masse dans le disque ne "suive pas la lumière" - que la masse à- le rapport de luminosité augmente considérablement avec le rayon - ce qui revient essentiellement à dire que vous avez de la "matière noire", juste dans un disque.


  1. Votre affirmation selon laquelle la sphéricité est supposée est incorrecte lorsqu'il est référé à des preuves scientifiques solides.
  2. Même si cela était supposé, l'erreur résultante de la vitesse de rotation est faible pour les galaxies sphéroïdales et faible pour les galaxies plates, à condition qu'elles soient concentrées au centre (ce qui est leur distribution stellaire).

Les scientifiques sont, bien entendu, bien conscients des erreurs émanant de cette (et d'autres) hypothèses (en particulier si la situation est aussi simple qu'ici) et des précautions sont prises (si ce n'est par chaque scientifique individuel, alors certainement par le consensus atteint par la communauté scientifique) que ces erreurs n'ont aucune incidence sur les conclusions scientifiques. Votre citation d'un manuel de premier cycle ne prouve rien à cet égard.


Autres indices sur la matière noire dans les courbes de rotation des galaxies

Titre: Comment le modèle de matière noire à interaction automatique explique les diverses courbes de rotation
Auteurs: A. Kamada, M. Kaplinghat, A. B. Pace, H.-B. Yu
Institution du premier auteur: Département de physique et d'astronomie, Université de Californie, Riverside, CA
Statut: Soumis à l'arXiv

Les galaxies spirales tournent dans des spectacles célestes captivants, une vitrine subtile de la conservation du moment angulaire. Les vitesses du gaz et des étoiles à l'intérieur racontent encore une autre histoire. La plupart des étoiles dans une spirale vivent dans un renflement central, ce qui dicte que les étoiles et le gaz dans le disque environnant orbitent de plus en plus lentement vers le renflement à mesure qu'ils s'éloignent du centre de la galaxie. Mais ce que nous avons observé, c'est que quelle que soit leur distance, les étoiles et le gaz semblent orbiter à la même vitesse, sinon en augmentant, en s'éloignant du renflement. Cela implique que les galaxies spirales doivent être de minuscules pierres précieuses incrustées dans une vaste boule de matière invisible ou « sombre ». La présence de quantités écrasantes de matière noire dans l'univers a ensuite été confirmée par la fusion d'amas de galaxies, et l'idée que des sphères de matière géantes invisibles, ce que nous appelons maintenant des « halos de matière noire », encapsulent toutes les galaxies est devenue un fait quotidien.

La matière noire dans son interprétation la plus simpliste, la matière noire froide (CDM), est une particule subatomique qui n'obéit qu'à la force de gravité (contrairement à la matière baryonique plus familière dont nous sommes faits, qui obéit à quatre forces fondamentales). Le CDM a connu un succès remarquable dans l'explication des observations à travers le temps cosmique et à travers les échelles cosmiques, mais a rencontré des problèmes à l'échelle des galaxies et plus petites, ce que les astronomes appellent les problèmes « à petite échelle » du CDM. Les galaxies ont souvent des "noyaux" de densité constante plutôt que d'augmenter fortement, ou des densités de "cuspy" dans leurs parties centrales. La Voie lactée a trop peu de galaxies satellites, et elles ne sont pas aussi massives que le CDM l'avait prédit.

Ces problèmes à petite échelle ont fait naître l'idée que la particule de matière noire pourrait obéir à une autre force : celle qui fait interagir les particules de matière noire avec d'autres particules de matière noire. Cette forme de matière noire, la matière noire à interaction automatique (SIDM), peut subir des collisions qui redistribuent le moment angulaire entre les particules de matière noire. Les régions centrales denses des halos, où les collisions sont fréquentes, perdent leur caractère épineux à mesure que les particules de matière noire se "thermalisent" (un peu comme un gaz parfait familier) et s'aplatissent en noyaux "isothermes" ou à densité constante. Les plus petits satellites sont détruits et les plus gros deviennent plus sensibles à la perte de masse.

Mais le SIDM peut-il expliquer les vitesses des étoiles et du gaz dans les galaxies spirales – le premier indice quant à l'existence de la matière noire ? Les courbes de rotation, le profil de vitesse d'une galaxie spirale, sont généralement plates ou croissantes avec le SIDM comme avec le CDM (voir le panneau supérieur de la Fig. 1). Cependant, les galaxies avec des halos de même masse peuvent avoir des courbes de rotation très différentes. Certains sont incroyablement plats, pointant vers des cœurs à densité constante de type SIDM, tandis que d'autres montent plus rapidement, comme dans le CDM. Les auteurs de l'article d'aujourd'hui ont cherché à déterminer comment cette diversité peut être produite avec SIDM.

Figure 1. Courbes de rotation des halos avec différentes concentrations et baryons. En haut sont montrées les courbes de rotation d'un halo avec CDM (gris) vs SIDM (bleu). Les régions ombrées indiquent la gamme de courbes produites par la variation observée de la concentration de halo. Les courbes SIDM montent moins fortement que les courbes CDM. En bas, un disque stellaire était inclus. La longueur d'échelle du disque, R, décrit à quel point le disque est concentré au centre. Les disques plus petits sont plus concentrés, ce qui rend la courbe de rotation plus raide.

Les auteurs examinent deux manières naturelles de produire de la diversité. Les halos se forment en fusionnant et en accroissant d'autres halos, et les différences entre les histoires de formation des halos se manifestent par des différences dans la concentration finale des halos. Des halos plus concentrés rendent les courbes de rotation des galaxies plus raides. Les auteurs constatent que l'inclusion de la variation observée de la concentration peut expliquer une partie, mais pas la totalité, de la plage des courbes de rotation.

Ce qui nous ramène à une question d'un genre plus familier : les baryons. Les baryons, les étoiles et le gaz qui composent une grande partie du disque et du renflement d'une galaxie, dominent dans les parties centrales de certaines galaxies plus que d'autres. Cela augmente encore la concentration centrale de la le total matière (sombre + baryonique), ce qui permet aux courbes de rotation d'être encore plus raides, augmentant la plage de courbes autorisées par SIDM aux plages qui ont été observées (voir le panneau inférieur de la figure 1).

Pour montrer davantage que les halos SIDM peuvent expliquer les courbes de rotation observées si les différences de concentration et de dominance baryonique sont incluses, les auteurs ajustent les courbes de rotation SIDM à celles observées. Ils ont sélectionné un échantillon de galaxies spirales avec des courbes de rotation observées qui illustrent leur diversité. Deux de ces galaxies sont illustrées sur la figure 2. Toutes les galaxies ont observé des courbes (indiquées par des points noirs) qui asymptote à la même vitesse, mais s'aplatissent rapidement (NGC 6503, à gauche) ou lentement (UGC 128, à droite). L'ajustement SIDM (rouge) avec les baryons a produit des ajustements remarquablement bons aux courbes de rotation des galaxies.

Figure 2. Ajustements aux profils de rotation observés de deux galaxies avec SIDM et baryons. Le profil observé est représenté en noir, tandis que l'ajustement est représenté en rouge. Les contributions du gaz et des étoiles en rose, et le halo SIDM en bleu (solide). Alors que les deux galaxies asymptote à la même vitesse à grands rayons, NGC 6503 (à gauche) s'élève brusquement, devenant plat à

5 kpc, tandis que l'UGC 128 (à droite) n'augmente que lentement, devenant plat à

20 kpc. La ligne bleue en pointillés indique la contribution qu'aurait eue le CDM et les astérisques bleus indiquent la contribution que la SIDM aurait eue sans les baryons.

Il s'agit d'un travail important qui démontre que SIDM peut être capable de reproduire de nombreuses observations à petite échelle de l'univers. D'autres travaux sont attendus pour déterminer si une modélisation plus détaillée qui inclut, par exemple, non seulement la masse des baryons, mais aussi leur échauffement physique et la rétroaction des supernovae et des vents, entre autres, peut modifier leur capacité à expliquer les courbes.

Image en vedette : la galaxie spirale NGC 6503, l'une des galaxies étudiées dans l'article d'aujourd'hui (la courbe de rotation de la galaxie est tracée sur la figure 2). Crédit image : NASA, ESA, D. Calzetti, H. Ford et l'équipe Hubble Heritage.


Générateur de courbe de rotation de galaxie spirale

Les courbes de rotation des galaxies spirales sont le moyen standard de présenter aux étudiants les preuves de la matière noire. Je voulais un bon outil accessible au public qui permette aux étudiants d'ajuster les quantités de matière sombre et lumineuse et de voir par eux-mêmes ce qui arrive à la courbe de rotation, j'ai donc suggéré cela comme projet pour Bethany Baldwin-Pulcini et Steven Hyatt au cours du trimestre d'hiver 2014. Ils construit un outil qui devrait être utile à de nombreux étudiants en astronomie.

Une idée fausse commune est que matière noire = trou noir. Cet outil interactif aide les élèves à réaliser que le trou noir supermassif au centre d'une galaxie spirale typique ne peut pas expliquer la courbe de rotation observée, à la fois en raison de la forme de la courbe et de la quantité globale de masse.

Cliquez sur l'image pour commencer.

Détails : le modèle de la masse des étoiles suit une distribution de densité exponentielle, tout comme la lumière du disque dans une galaxie à disque typique. Les étudiants ont intégré sur ce disque pour trouver la masse stellaire fermée à n'importe quel rayon donné. Le curseur contrôle uniquement la normalisation (en d'autres termes, le rapport masse/lumière). La matière noire est modélisée comme ayant une densité proportionnelle à 1/(a 2 +r 2 ) (où a est une constante) de sorte qu'elle est proportionnelle à r -2 au grand r (où elle fournit la courbe de rotation plate après avoir été intégrée sur une sphère) mais tend vers une densité constante à petit r (pour éviter que la courbe de rotation soit plate jusqu'à un centre de densité infinie). Le curseur contrôle à nouveau la normalisation uniquement. Retour à la page principale Figures interactives pour l'astrophysique.


Courbe de rotation de la galaxie et matière noire - Astronomie

A de grandes distances du centre galactique, le potentiel gravitationnel doit être celui produit par une masse ponctuelle centrale et, en l'absence de forces autres que la gravitation, il faut s'attendre à ce que GM / R 2 = / R ( G , constante de gravitation universelle M , masse galactique R , rayon galactocentrique , vitesse de rotation), donc R -1/2 , que l'on appelle, pour des raisons évidentes, la courbe de rotation képlérienne. Ce déclin képlérien n'a pas été observé, mais plutôt des courbes de rotation plates avec =cte ont été obtenues. Apparemment, cela a l'implication directe que M R , donc en fonction de la qualité du télescope utilisé. L'hypothèse de la « matière noire » (DM) interprète ce résultat en ce sens que le régime képlérien se maintient à des distances bien plus grandes que celles auxquelles nous obtenons des observations. Il devrait y avoir de grandes quantités de matière noire s'étendant bien au-delà de la matière visible dans un halo DM à symétrie plus ou moins sphérique. Si sa distribution est à symétrie sphérique, la masse intérieure à une sphère de rayon R serait M ( R ) R , de sorte que nous obtenons un premier modèle grossier de distribution de densité DM : = (1/4 R 2 ) dM / dR = / 4 GR 2 , soit R -2 , pour des distances bien au-delà du rayon visible. Ce modèle est évidemment trop simplifié, comme nous le verrons, mais il coïncide avec le profil dit « isotherme non singulier »

(avec et R 0 étant des constantes), l'un des types de halos les plus fréquents.

L'interprétation des courbes de rotation des galaxies spirales comme preuve de halos DM a probablement été proposée pour la première fois par Freeman (1970) qui a remarqué que le déclin attendu de Keplerian n'était pas présent dans NGC 300 et M33, et a considéré une masse non détectée, avec une distribution différente pour le masse visible. L'observation de courbes de rotation plates a été confirmée par la suite et l'hypothèse DM renforcée par des études successives. Rubin, Ford et Thonnard (1980) et Bosma (1978, 1981a, b) ont mené une étude approfondie, à la suite de laquelle l'existence de DM dans les galaxies spirales a été largement acceptée. Van Albada et al. (1985) ont analysé la rotation de NGC 3198 et la distribution de son hypothétique DM, concluant que cette galaxie a un halo sombre, en accord avec l'article d'Ostriker et Peebles (1987) sur la stabilité des disques. La rotation des spirales fut rapidement considérée comme la preuve la plus solide de l'existence de DM dans l'Univers, particulièrement importante lorsqu'on crut plus tard que = 1. D'autres articles décisifs furent produits par Begeman (1987) et Broeils (1992).

La conclusion initiale pourrait être schématisée en considérant la courbe de rotation comme haute et plate. S'il est haut, le halo sombre doit être très massif s'il est plat, le halo sombre doit être très grand. En effet, la planéité des courbes de rotation était « trop » bien expliquée, car si le disque et le halo avaient des distributions si différentes, une correspondance très minutieuse était nécessaire entre la courbe de rotation du disque descendant et celle du halo montant. La courbe était « trop » plate, il y avait un « complot disque-halo » (Bahcall et Casertano, 1985, van Albada et Sancisi, 1986).

La seule explication proposée pour cette « conspiration » est la compression adiabatique du matériau du halo lors de la formation du disque (Barnes 1987, Blumenthal et al. 1986) (qui est commentée plus loin) bien que Bosma (1998) ait donné une liste de galaxies pour lesquelles ce mécanisme n'est pas pleinement opérationnel. La conspiration disque-halo est un problème qui reste à résoudre de manière satisfaisante. Le problème n'est pas pourquoi les courbes sont plates (toutes ne sont pas plates) mais pourquoi la transition de la domination du disque à la domination du halo est si douce.

Différentes procédures ont été utilisées pour obtenir la distribution de matière noire : la distribution stellaire est déterminée à partir d'observations photométriques et doit ensuite être complétée par des observations de CO et HI (avec un facteur de correction pour inclure la masse d'He) principalement pour les spirales tardives, afin d'évaluer le gaz profils. Ces données déterminent les densités de renflement, de disque et de gaz dans le disque, ou plutôt leur contribution à la vitesse de rotation à travers la soi-disant "vitesse circulaire", V c ( R ), qui coïnciderait avec la vraie vitesse de rotation , si le composant étaient dominants dans la galaxie. La courbe de rotation, ( R ), est déterminée principalement avec des cartes de 21 cm. L'addition des différentes composantes visibles ne coïncide en général pas avec ( R ), d'où l'existence d'un halo DM est déduite.

Ensuite, pour obtenir sa répartition, il existe plusieurs techniques différentes. L'une des plus largement utilisées est "l'hypothèse du disque maximum" (voir par exemple Begeman, Broeils et Sanders, 1991). Ici, le rapport masse/lumière, M/L, est fixé pour les différentes composantes visibles, des valeurs supérieures à environ 10 étant difficiles à attribuer à une population stellaire. Ensuite, les régions les plus internes sont ajustées de sorte que le disque soit capable de produire la courbe de rotation observée sans halo. Le disque M/L obtenu est alors maintenu constant à tous les rayons et la vitesse circulaire du halo est alors obtenue pour des rayons plus élevés. Une autre possibilité est la technique dite du "meilleur ajustement". Dans ce cas, il est nécessaire d'adopter un profil de halo défini avec plusieurs paramètres réglables. La plupart des décompositions ont adopté le profil sphérique isotherme. A l'heure actuelle, il pourrait être intéressant d'étudier le profil alternatif NFW, car il a une justification théorique plus élevée (nous y reviendrons dans la section consacrée aux modèles théoriques). Le problème avec la procédure de meilleur ajustement est que la fonction de distribution du halo doit être connue bien que, en partie, c'est précisément ce que nous voulons obtenir.

La technique du disque maximum a été introduite par van Albada et Sancisi (1986). Il y a quelques aspects psychologiques à leur introduction : " la matière noire est une hypothèse audacieuse, l'intention est donc de rendre le halo aussi petit que possible, au moins dans les régions optiques traditionnelles les plus connues et de réserver la physique exotique pour les régions radio-observables extérieures On peut donc constater que les ajustements de « disque maximum » sont raisonnables et ne diffèrent pas beaucoup des autres ajustements. Cela nous donne une première information : les parties internes ne nécessitent pas de grandes quantités de matière noire". Cette conclusion n'était "a priori" pas évidente. À l'heure actuelle, on considère que les quantités de matière noire et visible dans les disques optiques sont similaires, avec moins de DM nécessaire que dans les disques les plus externes.

La description initiale de base consistant en une région la plus intérieure dans laquelle ( R ) augmentait linéairement suivie d'une constante dans la région extérieure a rapidement été considérée comme trop simple. Casertano et van Gorkom (1991) ont trouvé des galaxies avec des courbes de rotation décroissantes et ont analysé les observations actuelles pour montrer que les galaxies compactes brillantes ont des courbes de rotation légèrement décroissantes et que les courbes ascendantes sont prédominantes dans les galaxies à faible luminosité (voir aussi Broeils, 1992). Ce dernier fait indique que les galaxies à faible luminosité sont plus riches en DM et qu'en général, il y a une augmentation de la fraction de matière noire avec une luminosité décroissante (Persic et Salucci, 1988, 1990). Presque toutes les courbes de rotation appartenant aux différents types de spirales peuvent être décrites au moyen d'une seule fonction, la soi-disant « courbe de rotation universelle » (Persic, Salucci et Stel, 1996 Salucci et Persic, 1997) qui est un ajustement réussi de la l'astronomie qui sera commentée plus tard.


La relation d'accélération trouvée entre les galaxies spirales et irrégulières remet en question la compréhension actuelle de la matière noire

Dans les galaxies spirales telles que NGC 6946, les chercheurs ont découvert qu'il existe une relation de 1 à 1 entre la distribution des étoiles et du gaz et l'accélération causée par la gravité.

À la fin des années 1970, les astronomes Vera Rubin et Albert Bosma ont découvert indépendamment que les galaxies spirales tournent à une vitesse presque constante : la vitesse des étoiles et du gaz à l'intérieur d'une galaxie ne diminue pas avec le rayon, comme on pourrait s'y attendre d'après les lois de Newton et la distribution de la lumière visible. matière, mais reste à peu près constante. De telles «courbes de rotation plates» sont généralement attribuées à la matière noire invisible entourant les galaxies et fournissant une attraction gravitationnelle supplémentaire.

Une équipe dirigée par des chercheurs de la Case Western Reserve University a découvert une nouvelle relation significative dans les galaxies spirales et irrégulières : l'accélération observée dans les courbes de rotation est étroitement corrélée à l'accélération gravitationnelle attendue de la masse visible uniquement.

"Si vous mesurez la distribution de la lumière des étoiles, vous connaissez la courbe de rotation, et vice versa", a déclaré Stacy McGaugh, présidente du département d'astronomie de Case Western Reserve et auteur principal de la recherche.

La découverte est cohérente parmi 153 galaxies spirales et irrégulières, allant de géantes à naines, celles avec des renflements centraux massifs ou pas du tout. Il est également cohérent parmi les galaxies composées principalement d'étoiles ou principalement de gaz.

Dans un article accepté pour publication par la revue Lettres d'examen physique et publié sur le site Web de préimpression arXiv, McGaugh et ses co-auteurs Federico Lelli, chercheur postdoctoral en astronomie à Case Western Reserve, et James M. Schombert, professeur d'astronomie à l'Université de l'Oregon, soutiennent que la relation qu'ils ont trouvée équivaut à une nouvelle loi naturelle.

Un astrophysicien qui a examiné l'étude a déclaré que les résultats pourraient conduire à une nouvelle compréhension de la dynamique interne des galaxies.

"Les courbes de rotation des galaxies ont traditionnellement été expliquées via une hypothèse ad hoc : que les galaxies sont entourées de matière noire", a déclaré David Merritt, professeur de physique et d'astronomie au Rochester Institute of Technology, qui n'était pas impliqué dans la recherche. "La relation découverte par McGaugh et al. est un défi sérieux, et peut-être fatal, à cette hypothèse, car elle montre que les courbes de rotation sont précisément déterminées par la distribution de la matière normale seule. Rien dans le modèle cosmologique standard ne prédit cela, et il est presque impossible d'imaginer comment ce modèle pourrait être modifié pour l'expliquer, sans écarter complètement l'hypothèse de la matière noire."

McGaugh et Schombert ont travaillé sur cette recherche pendant une décennie et avec Lelli les trois dernières années. Les images dans le proche infrarouge recueillies par le télescope spatial Spitzer de la NASA au cours des cinq dernières années leur ont permis d'établir la relation et qu'elle persiste pour les 153 galaxies.

La clé est que la lumière proche infrarouge émise par les étoiles est beaucoup plus fiable que la lumière optique pour convertir la lumière en masse, a déclaré Lelli.

Les chercheurs ont tracé l'accélération radiale observée dans les courbes de rotation publiées par une multitude d'astronomes au cours des 30 dernières années par rapport à l'accélération prédite à partir de la distribution observée de la matière ordinaire maintenant dans la base de données Spitzer Photometry & Accurate Rotation Curves créée par l'équipe de McGaugh. Les deux mesures ont montré une seule corrélation extrêmement étroite, même lorsque la matière noire est censée dominer la gravité.

"Il n'y a pas de dispersion intrinsèque, c'est-à-dire dans quelle mesure les données diffèrent en moyenne de la moyenne lorsqu'elles sont tracées sur un graphique", a déclaré McGaugh. "Le peu de dispersion trouvé est cohérent avec les rapports masse-lumière stellaires qui varient un peu d'une galaxie à l'autre."

Lelli a comparé la relation à une loi naturelle longtemps utilisée. "C'est comme la troisième loi de Kepler pour le système solaire : si vous mesurez la distance de chaque planète au soleil, vous obtenez la période orbitale, ou vice versa", a-t-il déclaré. "Ici, nous avons quelque chose de similaire pour les galaxies, avec environ 3 000 points de données."

"Dans notre cas, nous trouvons une relation entre ce que vous voyez dans la matière normale dans les galaxies et ce que vous obtenez dans leur gravité", a déclaré McGaugh. "C'est important car cela nous dit quelque chose de fondamental sur le fonctionnement des galaxies."

Arthur Kosowsky, professeur de physique et d'astronomie à l'Université de Pittsburgh, n'était pas impliqué mais a passé en revue la recherche.

"Le modèle standard de la cosmologie réussit remarquablement à expliquer à peu près tout ce que nous observons dans l'univers", a déclaré Kosowsky. "Mais s'il y a une seule observation qui me tient éveillé la nuit en craignant que quelque chose ne va vraiment pas, c'est bien celle-ci."

Il a déclaré que McGaugh et ses collaborateurs ont régulièrement affiné la relation d'échelle de la galaxie spirale pendant des années et ont qualifié ce dernier travail d'avancée significative, réduisant l'incertitude de la masse dans la matière normale en exploitant les observations infrarouges.

"Le résultat est une relation d'échelle dans les données sans paramètres ajustables", a déclaré Kosowky. "Tout au long de l'histoire de la physique, des régularités inexpliquées dans les données ont souvent ouvert la voie à de nouvelles découvertes."

McGaugh et son équipe ne préconisent aucune interprétation théorique de leur relation empirique à ce stade.

"L'inférence naturelle est que cette loi découle d'une force universelle telle qu'une modification de la gravité comme MOND, l'hypothèse de la dynamique newtonienne modifiée proposée par le physicien israélien Moti Milgrom. Mais cela pourrait aussi être quelque chose de la nature de la matière noire comme le superfluide. matière noire proposée par Justin Khoury", a déclaré McGaugh. "Plus important encore, quelle que soit la théorie que vous voulez construire, celle-ci doit être reproduite."


Le problème de rotation de la galaxie

Les physiciens sont douloureusement conscients du fait que les galaxies spirales tournent plus vite qu'elles ne devraient l'être, étant donné la quantité de matière - et donc la gravité - qu'elles contiennent. À la vitesse à laquelle certains d'entre eux tournent, la théorie actuelle dit que les étoiles, les planètes, la poussière et d'autres matières devraient être projetées dans l'espace. Parce qu'ils ne le sont pas, les physiciens ont émis l'hypothèse que la "matière noire" que nous ne pouvons pas voir ou détecter est à l'origine de l'attraction gravitationnelle supplémentaire, maintenant ces galaxies ensemble. On dit que cette matière représente environ 25 pour cent de l'univers, mais Verlinde pense qu'il peut y avoir une autre réponse qui peut expliquer les écarts entre les courbes de rotation attendues et observées. les courbes de rotation des galaxies, qui sont simplement dérivées en regardant la matière que nous voyons, semblent toujours se produire à une accélération particulière », dit-il.

Cette accélération particulière joue un rôle important dans la relation entre la distance d'une galaxie et la vitesse à laquelle elle s'éloigne de la nôtre, qui est régie par l'expansion de l'univers, connue sous le nom de loi de Hubble. Un article de 2017 d'Alexandre Chaloum Elbeze dans le Journal of Modern Physics décrit comment le taux d'expansion de l'univers, ou H0, est lié via un nouveau paramètre, qu'il appelle E0, aux courbes de rotation des galaxies mesurées par les astronomes.

Verlinde pense que c'est une indication qu'il est sur quelque chose.

"Ce fait laisse entendre qu'il a quelque chose à voir avec l'expansion de Hubble [de l'univers], qui est actuellement due à la présence d'énergie noire", dit-il.

La constante de Hubble décrit l'accélération de l'expansion observée de l'univers. Cette accélération est inexpliquée, mais a été attribuée à "l'énergie noire", qui, selon Verlinde, peut être utilisée pour expliquer l'idée de matière noire.

« L'énergie noire est une partie assez importante de ma théorie », dit Verlinde. "Je ne supprime pas tout ce qui est appelé" sombre ", j'explique simplement ce que nous appelons maintenant "matière noire" en pensant à ce que serait l'influence de l'énergie noire, et cette [énergie noire] donne en fait la même chose effet."

Il convient de noter que Verlinde aborde le problème de la matière noire d'un point de vue spécifique en tant que théoricien des cordes et s'efforce de l'intégrer dans cette perspective. Mark Van Raamsdonk, professeur de physique à l'Université de la Colombie-Britannique, affirme que cette méthode doit être abordée avec prudence.

"Cette possibilité est intrigante, mais pour autant que je sache, elle n'est pas basée sur un modèle précis mathématiquement cohérent", déclare Van Raamsdonk. "Au contraire, il utilise son intuition pour rassembler un ensemble d'idées et fournir une histoire sur la façon dont les choses pourraient fonctionner. C'est un physicien très accompli, donc je pense que son intuition mérite qu'on s'y intéresse.


L'étude de la rotation de la galaxie exclut la gravité modifiée, ou le fait-elle ?

La dynamique newtonienne modifiée (MOND) peut-elle expliquer le comportement curieux des galaxies en rotation ? Deux groupes de recherche ont indépendamment étudié la dynamique d'un grand nombre de galaxies pour tester MOND et sont parvenus à des conclusions différentes. MOND est une alternative à la matière noire - une substance hypothétique qui est censée affecter la rotation des galaxies via son attraction gravitationnelle - et les études contradictoires pourraient aider à résoudre des problèmes avec notre compréhension actuelle de la dynamique des galaxies.

À première vue, la gravité newtonienne semble échouer de façon spectaculaire lorsqu'elle est utilisée pour calculer la dynamique de rotation des galaxies. Le problème est que les étoiles éloignées du centre galactique tournent beaucoup plus vite que prévu et devraient être projetées loin de la galaxie. L'explication conventionnelle est que d'énormes quantités de matière noire froide (CDM) fournissent une colle gravitationnelle supplémentaire qui lie les galaxies entre elles. Ceci, cependant, donne aux physiciens la tâche d'expliquer la nature de la matière noire - qui malgré son abondance apparente, n'a jamais été détectée directement.

Une minorité de physiciens adopte cependant l'approche inverse et appelle à une révision des lois de Newton. Aussi extraordinaire que cette suggestion puisse paraître, elle offre des solutions potentielles à certains problèmes autrement troublants de la dynamique galactique.

Corrélations curieuses

Bien qu'il soit un pilier du modèle standard de cosmologie, le CDM n'offre pas une explication complète de la dynamique observée des galaxies. En 2016, par exemple, Federico Lelli de la Case Western Reserve University aux États-Unis et ses collègues ont étudié un échantillon de 175 galaxies. Ils ont examiné le taux de rotation à différentes distances du centre de chaque galaxie. Ils ont calculé que l'accélération radiale en un point arbitraire de chaque galaxie est corrélée à la quantité de matière visible qui l'attire - mais la relation ne correspond pas à celle prédite par la dynamique newtonienne.

Le modèle CDM explique cet écart en supposant que la matière visible est attirée par la matière noire ainsi que par d'autres matières visibles. Cependant, la matière noire pourrait être trouvée en différentes quantités et à différents endroits dans différentes galaxies, donc cette relation devrait avoir beaucoup de dispersion. Un écart mathématiquement prévisible par rapport aux prédictions de la dynamique newtonienne est difficile à expliquer sous le modèle MDP.

MOND, cependant, propose que, à de très grands rayons et de petites accélérations, la gravité décroît avec la distance plus lentement que la loi du carré inverse de Newton. Cela supprime le besoin de matière noire, fournissant une explication claire de l'étroite corrélation non newtonienne entre la matière visible et l'accélération radiale.

Échelle universelle

Dans l'une des nouvelles études, Davi Rodrigues de l'Université fédérale d'Espírito Santo au Brésil et ses collègues examinent 193 galaxies à disques (dont la plupart avaient déjà été étudiées par Lelli) pour voir s'il existe une échelle d'accélération fondamentale. Ce serait un facteur d'échelle universel reliant les prédictions de la dynamique newtonienne et de MOND.

"Nous effectuons une analyse [statistique] bayésienne complète afin de trouver les barres d'erreur de cette relation d'accélération radiale pour chaque galaxie", explique Rodrigues. Après avoir fait cela, les chercheurs concluent qu'il n'y a pas de facteur d'échelle qui n'est pas exclu avec une signification statistique d'au moins 10σ - ce qui signifie qu'il est extrêmement improbable que la découverte soit le résultat de fluctuations statistiques dans les données.

Les chercheurs excluent donc toute théorie fondamentale qui étendrait MOND sans modifier sa dynamique sous-jacente. Au lieu de cela, ils suggèrent que la corrélation apparente entre la matière visible et la dynamique galactique pourrait résulter d'interactions complexes hypothétiques entre la matière visible et la matière noire.

Travaillant indépendamment, Lelli et ses collègues abordent la même question en utilisant différentes techniques statistiques. Les chercheurs ont adapté la relation d'accélération radiale aux données de leur ensemble de 175 galaxies. They calculate a value for the scatter in the data that is much lower than the value arrived at by Rodrigues.

Plane uncertainty

Lelli’s group argue that the other study has ignored the uncertainty in the plane of inclination of disk galaxies relative to the angle of observation – which is an additional source of error in their calculations. Furthermore, says Lelli – now at the European Southern Observatory in Germany – his team found that allowing the scale factor to vary from galaxy to galaxy did not improve the fit. Therefore, the researchers suggest, the observed scatter in the data is better explained by observational errors than by an underlying inconsistency between the data and the fundamental acceleration scale predicted by MOND.

James Binney of the University of Oxford notes that the Rodrigues group’s paper does not question Lelli and colleagues’ 2016 conclusion that there is a mathematically predictable relationship within galaxies between the visible matter and the radial acceleration. Whether that relationship can be fitted by a single parameter that applies to all galaxies is, he says, “subsidiary”.

Rogrigues and colleagues describe their work in Nature Astronomy. Lelli’s team will publish its results in Astronomy & Astrophysics and a preprint is available on arXiv.


17 Galaxies & Dark Matter

(a) By observing orbital velocities at different distances from the center of a disk galaxy (M64, the “Evil Eye” galaxy, 5 Mpc distant), astronomers can plot a rotation curve for the galaxy.

(b) Rotation curves for some nearby spiral galaxies indicate masses of a few hundred billion times the mass of the Sun.

The corresponding curve for our own Galaxy is marked in red for comparison.

Rotation curvers allow measurement of galaxy masses .

(a) In a binary galaxy system, galaxy masses may be estimated by observing the orbit of one galaxy about the other.

(b) The mass of a galaxy cluster may be estimated by observing the motion of many galaxies in the cluster and estimating how much mass is needed to prevent the cluster from flying apart.

Galaxies need 3-10 times more mass than can be observed to explain their rotation curves.

The discrepancy is even larger in galaxy clusters about 10-100 times.

The total mass needed is more than the sum of the dartk matter associated with each galaxy.

Astronomers speculate that some galaxies may be composed almost entirely of dark matter, emitting virtually no visible light.

(Right) Has the long stream of gas leaving galaxy UGC 10214 been torn out by a close encounter with a dark companion at bottom right?

Or is the companion simply hidden behind, or even in front of, the visible galaxy?

(a) X-ray image of Abell 85, an old, distant cluster of galaxies. The cluster’s X-ray emission is shown in orange. The green graphs display a smooth, peaked intensity profile centered on the cluster, but not associated with individual galaxies.

(b) The contour map of the X rays is superimposed on an optical photo, showing its X rays are strongest around Abell 85’s central supergiant galaxy.

This shows that the space between the galaxies within galaxy clusters is filled with superheated gas .

(c) Superposition of infrared and X-ray radiation from another distant galaxy cluster. The X rays are shown as a fuzzy, bluish cloud of hot gas filling the intracluster spaces among the galaxies.

(d) IR image of the central region, showing the richness of this cluster, which spans about a million parsecs.

It is believed this gas is primordial, dating from the very early days of the Universe.

There is ne pas nearly enough of this gas to be the needed dark matter in galaxy clusters.


Physicist theorizes that dark matter is a superfluid

Physicists have been striving to understand dark matter—the invisible material that makes up most of the universe—for decades. In the standard cosmological model, this mysterious substance is a cold, thinly dispersed medium composed of weakly interacting particles, which are considered “collisionless” in that they either hardly interact with each other, or don’t interact at all. Additionally in this model, dark matter keeps the outermost galaxies within galaxy clusters from eluding the grasp of gravity and drifting into distant space, or from being torn apart.

However, a new theory proposed by physicist Justin Khoury, a professor in the School of Arts and Sciences, and his former postdoctoral researcher Lasha Berezhiani, now at the Max Planck Institute for Physics, stands to shake up how scientists consider dark matter. Their hypothesis that dark matter is a liquid has the potential to explain cosmological mysteries that have previously eluded researchers. The findings have been published in Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

As a theoretical principle, the standard rendering of dark matter functions well to explain large-scale cosmological observations, such as the gravitational retention of outer galaxies within a galaxy cluster, but issues arise when applied to smaller-scale mysteries in the universe, such as the rotation curves of individual galaxies.

A rotation curve plots the orbital speeds of objects in relation to their distance from a central mass. In a solar system, objects revolve around the concentrated mass at the center of the system, and, based on Kepler’s second law of planetary motion, the speed of rotating objects decreases as they move farther away from the center.

Galaxy rotation curves are unusual. Objects far from the galactic center orbit at a speed independent from their distance from the center, instead of the decreasing speed expected from Kepler’s second law. Because the velocity becomes constant instead of decreasing, this behavior is usually interpreted as evidence for dark matter. Alternatively, physicists sometimes resort to modifying Newton’s law of gravitational force to explain these galactic observations.

Khoury and Berezhiani approach this differently. Their theory suggests that dark matter in galaxies behaves as a special type of fluid, known as a superfluid, which lacks viscosity and flows indefinitely when stirred. In this approach, the excitations of the superfluid result in a new long-range force, on top of the usual gravitational force, in such a way that explains the unexpected behavior seen in galaxies. Meanwhile, on the large scale of galaxy clusters, according to their theory, dark matter behaves as in the conventional model.

Even at the absolute zero temperatures found in space, a superfluid remains a smoothly flowing liquid, and its individual particles behave as a collective entity. For something to reach a superfluid state, along with being exposed to extremely low temperatures, the fluid needs to have densely-packed atoms.

“A superfluid is a very interesting kind of fluid,” says Khoury. “Most substances we find in the laboratory form a solid when cooled to a low enough temperature. But a certain set of substances, such as liquid helium, effectively remain a liquid all the way to absolute zero temperature. The uncertainty principle of quantum mechanics forbids these atoms from arranging into crystalline structure, and instead they remain fluid, but it’s a very peculiar kind of fluid. It flows without viscosity, doesn’t carry any entropy, and has many other strange behaviors.”

For earlier work in this area, Khoury and Berezhiani received the 2017 Buchalter Cosmology Prize, and the researchers have continued exploring the topic. Receiving the prize, Khoury says, was an honor, rewarding innovative new ideas in the field of cosmology that will hopefully fill the gaps in the current understanding of the universe.

While researchers can calculate the density of the total amount of dark matter in the universe, no one has determined the mass of an individual particle. But it is known that to create a superfluid on Earth, scientists squeeze particles together—such as liquid helium particles—to create extremely dense matter, and then rapidly cool the matter to near absolute zero. This bodes well for the superfluid theory, since the gravitational pull of a galaxy creates the squeeze. The leading paradigm of dark matter already suggests it is extremely cold, which indicates dark matter could be a viable superfluid in certain states.

“What we discovered, essentially, was an analogy,” Khoury says. “If you look at the types of theories people utilized to explain these galactic observations using modified gravity, those equations take the same form as those of a superfluid. We realized that if the dark matter was this particular kind of superfluid, then you could explain both sets of observations, the large scale and the small scale.”

The work was supported by the U.S. Department of Energy, the Université de Strasbourg, the National Science Foundation, NASA, and the Charles E. Kaufman Foundation of the Pittsburgh Foundation.

Justin Khoury is a professor in the Department of Physics and Astronomy at the University of Pennsylvania.

Homepage photo: An artistic rendering displays how superfluid vortices might appear within the dark matter halo around individual galaxies. (Image courtesy of Markos Kay for Quanta Magazine).


An astronomer scratching his head (1979)

At first sight, it seems that there are only two possible solutions for the discrepancy. Either stage 1 is wrong and we missed something important with our mass modeling, or stage 2 is wrong and the application of the fundamental laws of physics is not valid in these cases.

The vast majority of physicists support the first explanation. According to their view, there must be some additional matter in galaxies. This matter cannot be seen (because the visible mass we see is not enough to explain rotation curves) and must be distributed differently from the visible matter (otherwise rotation curves would still be declining). This kind of matter is known as dark matter . Today, dark matter has grown to be necessary in other fields of astrophysics, but back then in the 70's, rotation curves were the only reason for inventing this concept*.

Some physicists, however, support the second explanation. According to their view, the very application of Newton's laws is wrong. These laws were never put to test in galactic scales before. Perhaps the laws are not general enough. Specifically, according to this theory, Newton's second law should take a different form. The proposed generalization is of such a nature that Newton's original law is obtained as an approximation when "normal" accelerations are used. In galaxies, however, the accelerations are so low that the new prediction deviates significantly from the Newtonian prediction (see the MOND original paper ).

Both theories have advantages and disadvantages. The main disadvantage of dark matter is the simple fact that it hasn't been discovered (although scientists have been searching for it for decades). As long as this substance is not found, it must be taken as a weakness of the theory. No matter how deep dark matter is integrated in other fields of physics (i.e. cosmology), it is still a speculation . It is an extra assumption we make on the physical reality. This issue, together with other fundamental problems** have led some astrophysicists to seriously doubt the current paradigm. However, the resources allocated to investigate alternatives are still very limited.

The main disadvantage of the MOND theory is its inconsistency with GR (General Relativity). After all, Newton's laws are an approximation of GR, and if you're going to change Newton's laws you need to change GR in some way or another. This is a whole new story. First, GR is the most successful theory we have to date. Second, it is constructed on basic principles. Changing it in order to meet galactic observations without changing the whole shield is a very difficult goal. These heroic attempts have been made by some physicists in the past, but their overall success is unclear.

In this site we wish to offer a third explanation for the discrepancy. An explanation which does not invoke extra matter or the need of changing Einstein's general relativity. For a comprehensive review of the new approach please visit this page. Our current work is focused only on galaxy rotation curves. However, it's not unlikely that the same core idea will be used for the investigation of other discrepancies (e.g. ellipticals, gravitational lensing). We express our deepest hopes that this work will contribute to our understanding of nature.

* The history of the hidden mass problem is actually more complicated than that. The "desire" for extra mass in cosmology has already existed in the 1970's. An excellent overview can be found here.

** A comprehensive review of the dark matter paradigm and the unproportional credit it receives nowadays can be found in our website.


Voir la vidéo: Astrophysique Un type de matière noire explique la diversité des courbes de rotation galactiques (Juillet 2022).


Commentaires:

  1. Cranley

    Volontiers j'accepte. La question est intéressante, moi aussi je participerai à la discussion. Je sais, qu'ensemble, nous pouvons obtenir une bonne réponse.

  2. Stoney

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    Ne sois pas énervé! Plus amusant!

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    Ta phrase avec brio



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