Naissance et évolution des galaxies

[papy-alain]

Bonjour à tous.

Au début de la formation des galaxies, l'Univers était bien plus dense qu'aujourd'hui. J'imagine aisément que ces conditions ont rapidement favorisé la formation d'étoiles très massives, des supergéantes bleues de type III, qui devaient être majoritaires à cette époque. Le télescope Hubble observe d'ailleurs un très grands nombres de jeunes galaxies de couleur bleue avec un redshift de 1 ou 2, ce qui semble confirmer cette affirmation.
Or, la durée de vie de ces étoiles fut brève, vu leur masse. Elles ont donc dû laisser la place rapidement à un très grand nombre de trous noirs stellaires. Si tel fut le cas au sein de notre Galaxie, nous devrions être entourés de centaines de milliards de ces TN stellaires. Or, ce n'est pas ce qu'on observe. Evidemment, repérer de manière indirecte des petits TN de dix ou vingt km n'est pas évident.
Dés lors, je me pose la question de savoir si mon raisonnement tient la route. Mais vous avez déjà vu où je veux en venir : si tous ces petits TN représentent une masse globale 4 ou 5 fois plus importante que la matière visible, plus besoin de matière noire.
Qu'en pensez vous ?
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[astrocurieux]

Que 4 à 5 fois ne suffit pas, il en faudrait plus que ça, ce doit être de l'ordre de 20 fois je pense, mais le plus gros problème n'est pas là mais dans la répartition géographique de ceux-ci.
Le point que tu soulèves me semble plus apte à donner une explication à la formation des trous noir super-massifs qu'à la matière noire.
Mais ce n'est qu'un sentiment personnel, quelqu'un de plus compétent apportera sans l'ombre d'un doute une explication plus pertinente.

[Gloubiscrapule]

Au début de la formation des galaxies, l'Univers était bien plus dense qu'aujourd'hui. J'imagine aisément que ces conditions ont rapidement favorisé la formation d'étoiles très massives, des supergéantes bleues de type III, qui devaient être majoritaires à cette époque.

Ca n'a rien à voir. La taille d'une étoile dépend des conditions initiales (rotation, environnement etc...) et c'est pas encore très bien compris je crois. La masse maximale, elle, dépend seulement de la métallicité. Au début la métallicité est faible, donc on pense qu'il devait y avoir des grosses étoiles, genre 1000 masse solaire. Ces étoiles formeraient des gros trous noirs qui serviraient de base aux trous noirs supermassifs. Mais on est de moins en moins sur que les premières étoiles (dites de génération III) étaient aussi massives. A l'heure actuelle on ne sait pas trop du coup.

Le télescope Hubble observe d'ailleurs un très grands nombres de jeunes galaxies de couleur bleue avec un redshift de 1 ou 2, ce qui semble confirmer cette affirmation.

Là encore, ta remarque (avant la virgule) ne permet pas faire cette conclusion (après la virgule) aussi rapidement. La durée de vie des étoiles bleues est bien plus courte que celle des étoiles rouges, et elles sont aussi bien plus lumineuses. Donc regarder une jeune galaxie c'est voir le début de la formation stellaire, et donc voir les bleues (car plus lumineuses). C'est d'ailleurs un critère d'âge de galaxies, bleu = jeune, rouge = vieux.

Or, ce n'est pas ce qu'on observe. Evidemment, repérer de manière indirecte des petits TN de dix ou vingt km n'est pas évident.
Dés lors, je me pose la question de savoir si mon raisonnement tient la route. Mais vous avez déjà vu où je veux en venir : si tous ces petits TN représentent une masse globale 4 ou 5 fois plus importante que la matière visible, plus besoin de matière noire.
Qu'en pensez vous ?

Je comprends pas. Si tu dis que c'est pas ce qu'on observe (ce qui est vrai), dans ce cas ton hypothèse marche pas. En gros tu dis, on ne voit pas de trous noirs (observation), j'en déduis que les trous noirs peuvent être très nombreux pour expliquer la matière noire (hypothèse). Ce qui est absurde.
Autre problème: il faut de la matière non baryonique (formation des galaxies, spectre du CMB,...), donc ta matière noire ne peut pas venir des étoiles.

[Kelthuzad]

On a bien répondu au dessus. Je ferai juste une remarque.

si tous ces petits TN représentent une masse globale 4 ou 5 fois plus importante que la matière visible, plus besoin de matière noire

Les TN sont de la matière noire...

[A voir en vidéo sur Futura]

[papy-alain]

Je comprends pas. Si tu dis que c'est pas ce qu'on observe (ce qui est vrai), dans ce cas ton hypothèse marche pas. En gros tu dis, on ne voit pas de trous noirs (observation), j'en déduis que les trous noirs peuvent être très nombreux pour expliquer la matière noire (hypothèse). Ce qui est absurde.

je ne déduis rien, je me pose des questions. Y a-t-il oui ou non des centaines de milliards de petits TN dans la Galaxie ? Je voulais juste souligner la possibilité d'une non-observation qui découle naturellement de leur nature (noirs et petits).

Autre problème: il faut de la matière non baryonique (formation des galaxies, spectre du CMB,...), donc ta matière noire ne peut pas venir des étoiles.

Oui, ça c'est vrai si la matière noire existe. Il ne faut pas oublier que cette matière non baryonique a été inventée pour expliquer un phénomène qu'on ne comprend pas, qui est simplement de nature gravitationnelle.

[Nicophil]

Bonjour,

Il ne faut pas oublier que cette matière non baryonique a été inventée pour expliquer un phénomène qu'on ne comprend pas, qui est simplement de nature gravitationnelle.

La RG ne colle pas avec les observations. Mais plutôt que de la remettre en question, on préfère inventer ex-nihilo (littéralement!) cette "matière non-baryonique".

[Gilgamesh]

Il n'y a pas de règle dogmatique en épistémologie. C'est du cas par cas. De la même façon, on avait le "choix" face au déficit énergétique du rayonnement bêta de remettre en cause le premier principe de thermo ou de créer de toute pièce une particule ad hoc, le neutrino. Et l'histoire a donné raison a Fermi.

Par ailleurs les wimps ne sont pas une création théorique ex nihilo mais une prédiction des théories supersymétriques.

[Gloubiscrapule]

La RG ne colle pas avec les observations. Mais plutôt que de la remettre en question, on préfère inventer ex-nihilo (littéralement!) cette "matière non-baryonique".

Ne fais pas passer la charrue avant les boeufs. En partant des théories (RG, particules, thermo...) on construit des modèles en accord avec l'observation. Aucune observation à ce jour ne colle pas avec la RG ou autre théorie physique moderne (Newton ne colle pas par exemple).
On peut remettre en cause les modèles, bien avant de remettre en cause la théorie, car en astrophysique on est obligé de faire des modèles car on ne choisit pas le protocole expérimental comme dans un labo par exemple.

La matière non baryonique n'a pas été introduite ex nihilo comme tu sembles le croire, mais est cohérente avec les théories physiques que nous avons.

[papy-alain]

La matière non baryonique....est cohérente avec les théories physiques que nous avons.

Tout à fait d'accord, Gloubi, mais était ce bien la seule possibilité pour coller aux observations ? Ne peut il exister d'autres solutions, sans pour autant remettre en cause les théories maintes fois vérifiée par ailleurs ?

[astrocurieux]

T'as vu ça papy-alain comme on se fait harceler dés qu'on sort un peu de la pensée majoritairement admise hihi.

Je ne pense pas que ce raisonnement tienne la route mais je trouve parfaitement légitime de se poser la question, mieux, ne pas le faire serait faire preuve d'obscurantisme.

La matière noire est une explication assez cohérente des mécanismes observés mais à ce jour nous ne l'avons toujours pas découverte et tout ce que nous avons c'est un problème de gravitation.

[papy-alain]

Voici une vidéo intéressante qui montre la discorde pouvant régner dans le monde des astrophysiciens : après avoir présenté et expliqué ce qu'est la matière noire, des interviews tour à tour contradictoires opposent partisans et adversaires du concept de matière non-baryonique en particulier et du modèle standard en général.
http://www.youtube.com/watch?v=UAK-beImLHw

[Garion]

Que 4 à 5 fois ne suffit pas, il en faudrait plus que ça, ce doit être de l'ordre de 20 fois je pense

Non, c'est bien de l'ordre de 5 fois.

Tout à fait d'accord, Gloubi, mais était ce bien la seule possibilité pour coller aux observations ? Ne peut il exister d'autres solutions, sans pour autant remettre en cause les théories maintes fois vérifiée par ailleurs ?

Plein de choses ont été imaginées : modification de la théorie de la gravitation (MOND), gaz, étoiles naines, planètes, trou noirs, etc...
Mais la seule qui fonctionne bien, c'est la matière noire. Cela ne veut pas dire que les autres pistes sont abandonnées.
Ce qui est gênant, par exemple ici, ce sont les gens qui nient son existence alors qu'ils n'ont pas les connaissances pour le faire (je ne parle pas pour toi, tu posais juste une question).
Il faut laisser faire ceux qui ont les connaissances théoriques et les données nécessaires pour trouver d'autres solutions. Et je ne doute pas que si quelqu'un, un jour, trouve une autre réponse qui donne de bons résultats, tout les scientifiques s’intéresseront à cette solution.

Je ne comprend pas ce qui gène les gens avec cette matière noire. Quand on dit qu'on observe des choses, cela veut la majorité du temps dire que l'on observe son interaction électromagnétique.
Mais en quoi détecter quelque chose à partir de l'interaction gravitationnelle aurait moins de valeur que de la détecter par l'interaction électromagnétique ?
On sait que certaines particules comme les neutrinos n'interagissent pas par l'électromagnétisme (mais elles interagissent par la force nucléaire faible). A partir du moment où elles ont été prédites, il a fallu 25 ans pour arriver à les observer à cause de cette absence d'interaction électromagnétique.
La matière noire est, de la même manière, une particule qu'on observe uniquement par son interaction gravitationnelle car elle n'a peut-être que ça pour s'exprimer.
Je ne vois rien d'extraordinaire là-dedans.

[papy-alain]

Entièrement d'accord avec tout ce qui précède. Ce n'est pas que la matière noire soit gênante en soi. Ce qui me dérange, c'est que beaucoup de spécialistes en parlent comme d'une certitude, alors que ce n'est qu'une hypothèse, même si c'est la plus plausible.

[Nicophil]

Ce qui est gênant, par exemple ici, ce sont les gens qui nient son existence alors qu'ils n'ont pas les connaissances pour le faire

Nous qui sommes ici pour apprendre ne connaissons pas le degré de consensus qui règne dans la communauté scientifique. Or, autant il y a consensus quant on parle du système solaire, autant la cosmologie est un vaste chantier.
Je crois que ce n'est pas trop demandé d'utiliser un peu plus le conditionnel en cosmologie, car même le Big Bang reste controversé, ce que je viens seulement de découvrir.

[Garion]

Entièrement d'accord avec tout ce qui précède. Ce n'est pas que la matière noire soit gênante en soi. Ce qui me dérange, c'est que beaucoup de spécialistes en parlent comme d'une certitude, alors que ce n'est qu'une hypothèse, même si c'est la plus plausible.

Je ne pense pas que les spécialistes soient tant que ça plein de certitudes. Ils ont des avis (et dans le cas de la matière noire, il faut avouer que ça marche vachement bien, bien mieux en tout cas que les autres théories), mais ils sont prêts à accepter des nouvelles choses si elles sont justifiées.
Par exemple, pour l'énergie noire, en 1998, quand on a découvert l'accélération de l'expansion, qui était une chose que personne n'avait prévu, et que l'on a imaginé l'énergie noire pour expliquer le phénomène, je ne me souviens pas avoir vu beaucoup de voix s'élever contre ce modèle. C'était pourtant une révolution dans le milieu. L'idée est passé comme une lettre à poste, tout le monde a rangé ses certitudes précédentes pour adhérer à l'idée car les observations et la solution donnée étaient solides.

[Nicophil]

1998 ! c'était hier... même pas : cette nuit, on vient juste de se réveiller avec cette nouvelle.
L'impression que ça donne c'est vraiment qu'une incompatibilité apparaît entre le modèle et la réalité, et plutôt que de réviser le modèle, on préfère modifier la réalité.

[vaincent]

1998 ! c'était hier... même pas : cette nuit, on vient juste de se réveiller avec cette nouvelle.
L'impression que ça donne c'est vraiment qu'une incompatibilité apparaît entre le modèle et la réalité, et plutôt que de réviser le modèle, on préfère modifier la réalité.

La réalité est subjective et n'a de sens qu'à travers les modèles physiques que nous construisons. Donc ce que tu appelles "modifier la réalité" c'est aussi modifier le modèle.

[Gloubiscrapule]

Entièrement d'accord avec tout ce qui précède. Ce n'est pas que la matière noire soit gênante en soi. Ce qui me dérange, c'est que beaucoup de spécialistes en parlent comme d'une certitude, alors que ce n'est qu'une hypothèse, même si c'est la plus plausible.

Comme qui?

[Garion]

1998 ! c'était hier... même pas : cette nuit, on vient juste de se réveiller avec cette nouvelle.
L'impression que ça donne c'est vraiment qu'une incompatibilité apparaît entre le modèle et la réalité, et plutôt que de réviser le modèle, on préfère modifier la réalité.

J'ai vraiment l'impression du contraire, au lieu de réviser les théories comme la RG qui sont solides, on a introduit l'énergie noire dans le modèle et ça marche. D'ailleurs, Einstein avait lui-même introduit le paramètre, mais pour une mauvaise raison à l'époque.

[papy-alain]

Comme qui?

Comme le mec, dans le reportage, qui passe sa vie au fond d'une mine en étant persuadé qu'un jour il identifiera cette matière noire. La course au Nobel, quoi.

[Mailou75]

L'impression que ça donne c'est vraiment qu'une incompatibilité apparaît entre le modèle et la réalité, et plutôt que de réviser le modèle, on préfère modifier la réalité.

Normal c'est plus facile... surtout que si on fout tout le modèle à la poubelle on ne saurait pas quoi mettre à la place, c'est murement réfléchi !

[Gilgamesh]

Comme le mec, dans le reportage, qui passe sa vie au fond d'une mine en étant persuadé qu'un jour il identifiera cette matière noire. La course au Nobel, quoi.

Je vois pas trop le problème.

Soit il trouve ce qu'il cherchait et alors il avait raison de parier là dessus.

Soit il ne le trouve pas et il participe à l'avancée de la science en donnant par exemple des bornes basses à la section efficaces de wimps ou peut être plus radicalement a l'abandon de cette hypothèse.

Quelle que soit la réalité, il fallait faire cette recherche.

[Geb]

Bonjour,

La masse maximale, elle, dépend seulement de la métallicité. Au début la métallicité est faible, donc on pense qu'il devait y avoir des grosses étoiles, genre 1000 masse solaire. Ces étoiles formeraient des gros trous noirs qui serviraient de base aux trous noirs supermassifs. Mais on est de moins en moins sur que les premières étoiles (dites de génération III) étaient aussi massives.

Depuis quand (et sur quelle base) est-on de moins en moins sûr que les premières étoiles étaient d'une masse inférieure à 1000 masses solaires ? Cela a-t-il un rapport avec les recherches sur le béryllium et le bore qui auraient pu se former durant la nucléosynthèse primordiale ?

Entièrement d'accord avec tout ce qui précède. Ce n'est pas que la matière noire soit gênante en soi. Ce qui me dérange, c'est que beaucoup de spécialistes en parlent comme d'une certitude, alors que ce n'est qu'une hypothèse, même si c'est la plus plausible.

Comme qui?

Le documentaire de la BBC (diffusé pour la première fois en 2006) mis en lien par papy-alain au message #11 de cette discussion (diffusion en VF sur Arté) donne la parole à plusieurs intervenants (par ordre d’apparition dans la vidéo) :

- James Peebles (Princeton University, États-Unis)
- Jeremiah Ostriker (Princeton University, États-Unis)
- Vera Rubin (Canergie Institution, Washington)
- Saul Perlmutter (University of California, Berkeley)
- Riccardo Giovanelli
- Tim Sumner (Imperial College, Londres)
- Mordehai Milgrom (Weizmann Institute, Israel)
- Carlos Frenk (Durham University, Royaume-Uni)
- Mike Disney (Cardiff University, Royaume-Uni)
- David Spergel (Princeton University)

Vera Rubin exprime son intérêt pour la théorie MOND (à 44:31 dans la video) dont Mordehai Milgrom est "l'inventeur" (à 23:57 dans la video). Mike Disney est le seul scientifique interrogé qui s'avère complètement hostile à l'idée de matière noire ou d'énergie noire sans pour autant exprimer son intérêt pour la théorie MOND.

Comme le dit le commentateur (à 43:15 dans la vidéo), les chercheurs comme Tim Sumner doivent donner corps aux idées des théoriciens. Je pense donc qu’il est un peu exagéré de dire qu’il présente l’idée de la matière noire comme une certitude.

Cordialement.

[Gilgamesh]

1998 ! c'était hier... même pas : cette nuit, on vient juste de se réveiller avec cette nouvelle.
L'impression que ça donne c'est vraiment qu'une incompatibilité apparaît entre le modèle et la réalité, et plutôt que de réviser le modèle, on préfère modifier la réalité.

C'est la bonne démarche. On a coutume de dire que le scientifique est un révolutionnaire conservateur.

Révolutionnaire dans le sens où il n'y a pas de limite à sa capacité de bouleverser sa vision du monde. Il faudrait quand même faire preuve d'une stupéfiante cécité historique pour oser dire que les scientifiques ont été timides conceptuellement sur tout le siècle écoulé.

MAIS pour avoir les moyens d'être révolutionnaire, il faut être conservateur, c'est à dire se servir des morceaux les plus coriaces de la théorie et des modèles pour effectuer les transitions conceptuelles.

Il faut bien être conscient de cette dialectique avant d'émettre une critique dans ce domaine.

[Geb]

Afin d'aider à comprendre son point de vue, j'ai trouvé un article de Mike J. Disney dans l'édition de septembre-octobre 2007 du magazine American Scientist :

Modern Cosmology: Science or Folktale?

En gros, il considère que la cosmologie moderne est basée sur un trop petit nombre d'observations et de postulats (13 au total) et que trouver d'autres preuves de l'accélération de l'expansion de l'Univers est un prérequis indispensable.

Cordialement.

[Mailou75]

Il faut bien être conscient de cette dialectique avant d'émettre une critique dans ce domaine.

On a le droit de plaisanter

Moi aussi je préfère faire des châteaux de cartes avec de la colle

[Calvert]

Depuis quand (et sur quelle base) est-on de moins en moins sûr que les premières étoiles étaient d'une masse inférieure à 1000 masses solaires ? Cela a-t-il un rapport avec les recherches sur le béryllium et le bore qui auraient pu se former durant la nucléosynthèse primordiale ?

Non. Il y a une dizaine d'année, on pensait que des étoiles très massives pouvaient se former, parce que pour fragmenter efficacement une nuage de gaz, il faut pouvoir le refroidir, et on pensait qu'un environnement non-métallique était très mauvais dans ce domaine. Des avancées plus récentes ont montré qu'il existait malgré tout de moyen de refroidir relativement efficacement un gaz à basse métallicité, et la masse maximale de ces étoiles a donc été revue à la baisse (massif, mais pas autant qu'on pensait).

[Geb]

Des avancées plus récentes ont montré qu'il existait malgré tout de moyen de refroidir relativement efficacement un gaz à basse métallicité, et la masse maximale de ces étoiles a donc été revue à la baisse (massif, mais pas autant qu'on pensait).

À ma connaissance, le rôle de l'hydrogène moléculaire a été avancé au moins depuis 1984 (voir ici) et depuis 1992, on pense même que des 254 isotopes stables connus, au moins 9 pourraient avoir été formés dès la nucléosynthèse primordiale (¹H, ²H, ³He, ⁴He, ⁶Li, ⁷Li, ⁹Be, ¹⁰B, ¹¹B), contrairement à ce qu'on avait avancé en 1970 (voir ici).

A-t-on déjà exploré un éventuel rôle de ces isotopes "lourds" dans la formation des premières étoiles ?

Cordialement.

[Calvert]

A ma connaissance, une des molécules ayant contribué à l'abaissement de la masse des étoiles de population III est HD. Il s'avère que c'est un refroidisseur efficace. Pour les autres éléments, je ne saurais dire. Comme ils ne sont présents qu'à l'état de trace, je ne sais pas si ils peuvent jouer un rôle significatif au côté de H2 et HD. Il faudrait un peu fouiller dans la littérature récente.

Une rapide recherche me mène par exemple à:

Whalen 2012, qui est une micro-revue récente, et qui semble indiquer que la situation n'est pas claire (), avec des groupes qui avancent même des masses typiques de l'ordre de 40 Msol...

[Geb]

Merci pour le lien. Je viens d'en terminer la lecture.

Il mentionne tout de même deux techniques qui pourraient permettre de contraindre la masse des étoiles de population III :

- par l’observation directe de leurs supernovae,
- par l’estimation de leur rendement nucléosynthétique en mesurant les abondances chimiques dans les anciennes étoiles pauvres en métal dans le halo galactique.

Il indique également qu'on pourrait avoir des données observationnelles avec le James Webb Space Telescope (JWST), le Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) ou le Square Kilometer Array (SKA).

En outre, l'idée exprimée en ces termes :

Computer models of ionizing UV breakout in the final stages of Pop III protostellar disks have also found that the I-front of the nascent star exits the disk in bipolar outflows that terminate accretion onto the star and mostly evaporate the disk by the time the star reaches ~ 40 M⊙ (Hosokawa et al., 2011).

C'est-à-dire que le rayonnement UV ionisant empêcherait la croissance de l'étoile ne date pas d'hier. J'ai lu des publications datées de 1966 qui la mentionne déjà, avec des masses maximales estimées de ~60 M⊙. C'est étonnant qu'on en revienne à ces considérations anciennes après être passé par des considérations théoriques avec des masses maximales de ~300 M⊙.

J'ai trouvé un autre papier (publié dans Nature) qui je crois à un intérêt pour le sujet de ce fil. Voilà le brouillon sur arXiv :

The signature of the first stars in atomic hydrogen at redshift 20

Il explore avec des simulations l'hypothèse récente que les premières étoiles se seraient formées en grand nombre au sein d'un réseau d'amas pré-galactiques d'environ un million de masses solaires chacun ~180 millions d'années après le Big Bang.

Un communiqué de presse au sujet du papier susmentionné :

Cosmic Web of the First Stars unveiled at Liverpool Conference

Il se pourrait que la fusion de trous noirs formés par les étoiles massives en fin de vie implique déjà des trous noirs de plusieurs milliers (voire plus) de masses solaires dès ~200 millions d'années après le Big Bang.

Cordialement.