Matière noire et gravité

[iao]

Bonjour,
ceci est mon premier post sur ce forum que je suis heureux de découvrir.
L'astrophysique m'intéresse beaucoup et, au fur et à mesure des articles et des documentaires que je consulte, j'ai plein de questions nouvelles. Et qui restent la plupart sans réponse.

Au sujet de la matière noire, qui est en gros décrite comme de la matière invisible et ayant une masse (apparemment infime mais une masse quand même) je me demande pourquoi les observations ne font état que de "nuages" de matière noire sur les cartographies réalisées par les scientifiques.
D'après ce que je comprends, les observations sont indirectes puisque cette matière est invisible, c'est son impact dû à sa masse qui est observé (lentille gravitationnelle et effet de maintien des étoiles dans les galaxies malgré la rotation).
Arrêtez-moi dès que je me plante. Ma question est aussi et surtout basée sur ce que j'ai compris.

Alors si on parle bien d'une matière qui a une masse et qui est bien plus présente dans l'univers que la matière ordinaire, pourquoi ne s'agglomère-t-elle pas en étoiles, planètes ou tout autre corps céleste comme la matière ordinaire? Pourquoi en parle-t-on comme de quelque chose de diffus?
Et est-ce une matière pour laquelle la gravité peut s'effondrer? Comme l'équivalent d'un trou noir pour la matière ordinaire.

Merci à ceux qui pourront m'éclairer.
Cordialement.
Iao
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[Garion]

A priori, c'est parce qu'elle n'a pas d'effet avec elle-même. Elle ne peut donc pas ralentir par collision et échauffement et s'effondrer en un astre. Elle ne peut donc que rester diffuse.
Concernant les trous noirs, elle est absorbé par celui de la même manière que la matière classique et elle doit contribuer à la masse du trou noir de la même manière.

[Gilgamesh]

C'est ça. Pour s'effondrer, il faut dissiper son énergie gravitationnelle, et la matière y arrive efficacement en rayonnant des ondes électromagnétiques. Pour cela, il faut sensible à cette interaction, ce qui n'est pas le cas de la matière noire.

[bruyerep]

Bonjour,

Votre réponse induit une question : si la matière noire est "avalée" par les trous noirs, et qu'elle est très diffuse, ne serait-elle pas assez vite avalée en totalité?
Et aussi : nos trous noirs ne serait-ils pas plus massifs encore?

Au revoir

[A voir en vidéo sur Futura]

[Amanuensis]

C'est ça. Pour s'effondrer, il faut dissiper son énergie gravitationnelle, et la matière y arrive efficacement en rayonnant des ondes électromagnétiques. Pour cela, il faut sensible à cette interaction, ce qui n'est pas le cas de la matière noire.

J'avais cru comprendre que les WIMP (par exemple) ne sont pas exclus. Il y a alors une interaction faible (au deux sens du mot) avec la matière "claire". Et j'avais cru comprendre aussi que des modèles avec interactions inélastiques étaient examinés.

À ce que j'en comprends, cela ouvre des possibilité de dissipation de l'énergie gravitationnelle, mais à rythme très lent, bien plus lent que pour la matière "claire". Non?

[Garion]

Votre réponse induit une question : si la matière noire est "avalée" par les trous noirs, et qu'elle est très diffuse, ne serait-elle pas assez vite avalée en totalité?
Et aussi : nos trous noirs ne serait-ils pas plus massifs encore?

Au contraire, comme elle ne s'effondre pas, elle a moins de chance de tomber dans un trou noir, elle aura plutôt tendance à rester en orbite autour.

[bruyerep]

Bonjour,

Pardon si je ne saisis pas : elle ne s'effondre pas sur elle-même. Soit. Elle aura donc tendance à occuper tout l'espace disponible je suppose. Un peu comme un gaz parfait à petite échelle.
Mais elle subit bien l'attraction de la matière ordinaire qui, elle, s'est déjà effondrée en un trou noir. Donc la matière noire "proche" va tomber dans le trou noir. Cela laisse un "vide" de matière noire autour du trou noir. Comme la matière noire reste diffuse, ce "vide de matière noire" sera rapidement comblé par la matière noire environnante, non? Et celle-là tombera à son tour dans le trou noir.

La matière "ordinaire" peut rester plus longtemps en orbite autour du trou noir parce qu'elle forme des astres qui ne tombent pas dans le trou noir.

Où est-ce que je me trompe?

Au revoir.

[Amanuensis]

Donc la matière noire "proche" va tomber dans le trou noir.

La matière "proche" ne tombe pas plus (et pas moins) dans un trou noir qu'elle ne tombe sur un astre de même masse.

Ou encore, les effets d'attraction n'ont rien de spécifiques pour un trou noir. C'est mesuré par la masse, comme tout autre corps.

[bruyerep]

Bonjour,

Bien d'accord, mais cela ne change rien à ma réflexion il me semble :
Si la matière noire est comme est dit plus haut (elle ne s'effondre pas sur elle-même comme la matière ordinaire), alors je la compare à un gaz à petite échelle. Si la comparaison est foireuse, merci de me dire pourquoi.

Prenons le système solaire : les gaz originels sont soit dans les planètes et autres corps orbitants, soit dans le soleil lui-même.

Je compare en prenant le trou noir comme soleil déjà formé de matière ordinaire et la matière noir comme un gaz autour de lui mais qui ne formera pas de planètes. Elle finira dans le soleil, non?

Pourrait-on dire que la matière noire ne s'effondre pas, même sur la matière ordinaire?
Mais pourquoi?

Au revoir.

[Amanuensis]

Pourrait-on dire que la matière noire ne s'effondre pas, même sur la matière ordinaire?
Mais pourquoi?

Elle passe à travers.

[bruyerep]

Bonjour,

Et comment met-on d'accord le fait que la matière noire agit gravitationnellement sur la matière ordinaire et ce que vous affirmez ici?

Le fameux principe basique dit "action-réaction" n'est plus d'application avec cette "matière"?

Au revoir.

[Amanuensis]

Etre attiré par le "centre" ne veut pas dire aller vers le centre. Et même quand c'est aller vers le centre, cela ne veut pas dire s'arrêter au centre.

Même si une "particule" de matière noire est liée à un astre (galaxie, trou noir, étoile, peu importe) elle aura une orbite autour du centre. Sa distance moyenne ne changera pas, pas de rapprochement (en moyenne) et donc pas "d'effondrement".

Pour se rapprocher, faut perdre de l'énergie relativement à l'attracteur. Par des chocs par exemple.

Mais un choc élastique ne ferait que re-répartir l'énergie mécanique, sans en changer le total. Si le résultat est que les deux particules après le choc restent liées à l'astre, pas d'effondrement.

Faut soit des chocs inélastiques, soit que des particules légères prennent suffisamment de vitesse pour s'échapper.

Pour la matière ordinaire, ce sont essentiellement des chocs inélastiques qui amènent la diminution d'énergie (le surplus s'échappant sous forme de rayonnement thermique, comme indiqué plus tôt dans un message de Gilgamesh).

Pour la matière noire, pas de rayonnement thermique, pas ou peu de chocs avec la matière ordinaire...

Reste les interactions internes à la matière noire, qu'on ne peut à ce stade que supputer. Et on peut supposer que ces interactions sont insuffisantes pour obtenir un effondrement à l'échelle de temps considérée, puisque c'est ce qu'on observe!

[bruyerep]

Bonjour,

Merci pour vos éclaircissements.

Mais ils ne dissipent pas mes doutes à propos de cette matière noire bien "ad hoc" et aux propriétés bien exotiques.
S'il me fallait parier, je parierais que cette hypothèse ne tiendra pas la route. Mais qui suis-je pour me donner raison à moi-même??http://forums.futura-sciences.com/im...ilies/sm11.gif.

Seul l'avenir nous le dira. L'aventure des sciences est décidément passionnante.

Au revoir.

[iao]

Merci à vous pour vos réponses.
Merci aussi pour les questions qui en ont découlé, très intéressantes.
Du coup je sais pas si je ne me pose pas plus de questions, mais c'est ça qui est cool.

[Amanuensis]

Mais ils ne dissipent pas mes doutes à propos de cette matière noire bien "ad hoc" et aux propriétés bien exotiques.
S'il me fallait parier, je parierais que cette hypothèse ne tiendra pas la route.

Et vous parieriez sur quoi? Une forme de matière ordinaire non encore détectée? Une nouvelle loi de gravitation? Des erreurs d'observation? Un truc inventé par certains pour avoir des fonds de recherche?

[bruyerep]

Bonjour,

Ça, c'est une bonne question d'un dimanche matin .....

Je m'attendrais plutôt à une nouvelle idée dont on n'a sans doute pas d'indice encore. Du genre des nouveautés introduites par Einstein. Et cela induirait effectivement un changement dans le calcul des forces de gravitation (ou faut-il dire de la courbure de l'espace?). Peut-être que les résultats finaux du LHC au Cern baliseront le chemin à suivre.

Mais je n'attend pas une "théorie du tout" qui répondrait définitivement à toutes nos questions !!

Si la fréquentation des sciences m'a appris quelque chose, c'est bien les limites de notre capacité de compréhension et aussi et surtout sans doute à accepter de ne pas avoir de réponse.

Le plus grand spécialiste dans un domaine, est celui qui sait dire tout ce qu'on ne connait pas (encore?) dans ce domaine.
Cela rend son travail plus précis et plus serein.

Sur ces (bonnes?) paroles, bon dimanche.

[Gilgamesh]

J'avais cru comprendre que les WIMP (par exemple) ne sont pas exclus. Il y a alors une interaction faible (au deux sens du mot) avec la matière "claire". Et j'avais cru comprendre aussi que des modèles avec interactions inélastiques étaient examinés.

À ce que j'en comprends, cela ouvre des possibilité de dissipation de l'énergie gravitationnelle, mais à rythme très lent, bien plus lent que pour la matière "claire". Non?

Oui les WIMPS sont présumé interagir avec la matière baryonique par courant neutre par exemple (échange d'un Z°), donc par interaction faible, mais pas que : y'a des diagramme de Feynman faisant intervenir un échange de boson de Higgs ou de squark. Je n'ai pas trouvé de référence pour la diffusion inélastique, mais c'est une voie qui a été explorée à n'en pas douter. En tout état de cause les sections efficaces sont tellement infime que ça ne peut pas avoir d'effet astrophysiquement mesurable en terme de refroidissement du halo de matière noire.

[Amanuensis]

En tout état de cause les sections efficaces sont tellement infime que ça ne peut pas avoir d'effet astrophysiquement mesurable en terme de refroidissement du halo de matière noire.

Effectivement. Ce que j'ai lu à quoi je référais était lié aux techniques de détection, pas à l'effet sur le halo.

[Gilgamesh]

Bonjour,

Pardon si je ne saisis pas : elle ne s'effondre pas sur elle-même. Soit. Elle aura donc tendance à occuper tout l'espace disponible je suppose. Un peu comme un gaz parfait à petite échelle.
Mais elle subit bien l'attraction de la matière ordinaire qui, elle, s'est déjà effondrée en un trou noir. Donc la matière noire "proche" va tomber dans le trou noir. Cela laisse un "vide" de matière noire autour du trou noir. Comme la matière noire reste diffuse, ce "vide de matière noire" sera rapidement comblé par la matière noire environnante, non? Et celle-là tombera à son tour dans le trou noir.

La matière "ordinaire" peut rester plus longtemps en orbite autour du trou noir parce qu'elle forme des astres qui ne tombent pas dans le trou noir.

Où est-ce que je me trompe?

Au revoir.

Pas vraiment tout l'espace disponible. La matière tombe dans un puits de potentiel gravitationnel et le profil de densité est caractéristique de la masse du nuage et de sa température. Le halo de matière est virialisé. Cela signifie que si on considère l'énergie potentielle gravitationnelle Eg d'un gaz quelconque (matière ordinaire ou noire) d'une part et son énergie cinétique thermique Ecd'autre part, le théorème du viriel nous dit que :

Eg = -2Ec

Eg = -GM/R
Ec = v²/2

où
M est la masse du système
G est la cte de gravité
R le rayon du nuage
v la vitesse des particules

On obtient quelque chose de la forme :
R = GM/v²

Cela donne le rayon "typique" (viriel...) d'un nuage quelconque connaissant sa masse et sa température T (sachant que kT ~ mv², avec k la cte de Boltzman).

[bruyerep]

Bonjour,

Oui, et cela intervient sans doute justement dans le mécanisme d'effondrement de la matière ordinaire.
Et, si je suis bien informé, ce mécanisme n'est toujours pas parfaitement compris. J'ai même lu que certains pensent que la matière ordinaire s'effondrerait sur des "noyaux" de matière noire.

Mais ma réflexion portait sur l'occupation de l'espace au centre du "gaz" : si de la matière noire est bien "engloutie" par un trou noir, la matière noire environnante va se contracter autour du dit trou noir et sera engloutie à son tour......

Ou bien faut-il admettre qu'il pourrait y avoir des "gaz" de matière noire avec un "vide de matière noire" en leur centre?

Au revoir.

[Gilgamesh]

Bonjour,

Oui, et cela intervient sans doute justement dans le mécanisme d'effondrement de la matière ordinaire.
Et, si je suis bien informé, ce mécanisme n'est toujours pas parfaitement compris. J'ai même lu que certains pensent que la matière ordinaire s'effondrerait sur des "noyaux" de matière noire.

Tous les modèles de formation de galaxie doivent partir de grumeau de matière noire pour que les galaxies puissent se former dans le temps imparti par les contraintes observationnelles.

Mais ma réflexion portait sur l'occupation de l'espace au centre du "gaz" : si de la matière noire est bien "engloutie" par un trou noir, la matière noire environnante va se contracter autour du dit trou noir et sera engloutie à son tour......

Un trou noir ne peut absorber que la matière noire dont la trajectoire passe directement par sa section. Et vue que celle ci est très petite, le résultat est insignifiant.

[eudea-panjclinne]

A priori, c'est parce qu'elle n'a pas d'effet avec elle-même.

C'est ça. Pour s'effondrer, il faut dissiper son énergie gravitationnelle, et la matière y arrive efficacement en rayonnant des ondes électromagnétiques. Pour cela, il faut sensible à cette interaction, ce qui n'est pas le cas de la matière noire.

C'est curieux ! Cependant certains sites parlent d'effondrement gravitationnel de la matière noire ?
http://irfu.cea.fr/Sap/Phocea/Vie_de...php?id_ast=287

http://lapth.cnrs.fr/pg-nomin/taille...d_grumeaux.php

http://www.google.fr/url?sa=t&rct=j&...,d.d2s&cad=rja p. 6

De quels effondrements gravitationnels parlent-ils ?

[gammler]

Bonjour,

Merci pour vos éclaircissements.

Mais ils ne dissipent pas mes doutes à propos de cette matière noire bien "ad hoc" et aux propriétés bien exotiques.
S'il me fallait parier, je parierais que cette hypothèse ne tiendra pas la route. Mais qui suis-je pour me donner raison à moi-même??http://forums.futura-sciences.com/im...ilies/sm11.gif.

Seul l'avenir nous le dira. L'aventure des sciences est décidément passionnante.

Au revoir.

C'est quand même actuellement l'hypothèse la plus crédible. N'oublie pas que les physiciens ont déjà quelques particules "exotiques" dans leur besace. Il y en a même une qui était prédite par les modèles et nécessaires pour rendre compte des résultats d'expépériences, mais qu'on a eu un mal de chien à mettre en évidence: le neutrino. Il s'avère que, parmi les particules ayant une masse, c'est la plus répandue dans l'univers. On est traversé chaque seconde par des milliards de neutrinos sans que ça nous fasse ni chaud ni froid. Et la plupart traversent la terre de part en part sans aucune interaction. Alors on peut raisonnablement envisager d'autres particules tout aussi "exotiques", comme tu dis.

[wacounda]

Pourquoi le modèle standard de physique des particules ne prédit pas l'existence de particules de matière noire ?
Après tout il a bien prédit l'existence du Higgs ?
Il n'y aucun modèle actuellement qui prédit l'existence d'une matière non baryonique ?

[bruyerep]

Bonjour,

Je sais que c'est une hypothèse déjà bien développée. Et largement étudiée.
Mais les premiers messages ici m'ont accrochés quand j'ai lu que la matière noire ne s'effondrerait pas "sur elle-même" je ne savais pas cela. Et cela m'a semblé "exotique" et j'ai cherché à en tirer quelques conclusions.
Et puis je lis que les galaxies se formeraient autour de noyau de matière noire. Si elle ne s’effondre pas, comment des noyaux peuvent-ils exister???

Etc etc. Il y a encore bien des énigmes à son sujet.

Bref, pour moi j'arrête ici : à mon niveau, je n'ai plus rien à dire de "sérieux" .....

Au revoir.

[Gilgamesh]

C'est curieux ! Cependant certains sites parlent d'effondrement gravitationnel de la matière noire ?
http://irfu.cea.fr/Sap/Phocea/Vie_de...php?id_ast=287

http://lapth.cnrs.fr/pg-nomin/taille...d_grumeaux.php

http://www.google.fr/url?sa=t&rct=j&...,d.d2s&cad=rja p. 6

De quels effondrements gravitationnels parlent-ils ?

D'un effondrement limité au viriel, en prenant en compte que la matière baryonique va participer à l'approfondissement du puits gravitationnel.

Pourquoi le modèle standard de physique des particules ne prédit pas l'existence de particules de matière noire ?
Après tout il a bien prédit l'existence du Higgs ?
Il n'y aucun modèle actuellement qui prédit l'existence d'une matière non baryonique ?

L'extension la plus consensuelle du Modèle Standard prédit l'existence de particules supersymétriques, dont la plus légère aka Lightest Supersymmetric Particle (LSP) que l'on pense être une particule nommée neutralino, constitue le meilleurs candidat.

[eudea-panjclinne]

D'un effondrement limité au viriel

je connais le théorème du viriel dans sa version mécanique analytique, que voulez-vous dire ici par effondrement limité au viriel ?