Répartition de la matière noire.

[invite5e279b10]

Le tout est de savoir si cette matière noire n'est pas une hypothèse ad hoc:

Ad hoc est une locution latine qui signifie « Qui a été institué spécialement pour répondre à un besoin ».

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[papy-alain]

Le tout est de savoir si cette matière noire n'est pas une hypothèse ad hoc:

Le tout est de savoir si c'est la seule explication possible.

[pascelus]

Tout à fait d'accord. Mais les contraintes découlant de l'observation ne nécessitent pas obligatoirement qu'il s'agisse bien de matière noire. Il peut s'agir d'un autre phénomène produisant les mêmes effets. Dans l'état actuel des connaissances, on ne peut rien exclure. Et il se pourrait bien qu'à terme, MOND apparaisse plus évident. Mais ça, on ne le saura peut être que dans dix ou vingt ans (vision optimiste).

Cette MN a aussi l'énorme problème de représenter grosso-modo 90% de la matière de l'univers, ce qui signifie que ce que nous connaissons en devient négligeable, tout en étant encore totalement inconnue... D'où un scepticisme compréhensible chez les profanes qui n'ont guère mieux que leur logique empirique (et parfois trompeuse) pour appréhender cela.

[papy-alain]

Cette MN a aussi l'énorme problème de représenter grosso-modo 90% de la matière de l'univers

Ce ne serait pas plutôt de l'ordre de 80 % ?

[papy-alain]

D'où un scepticisme compréhensible chez les profanes qui n'ont guère mieux que leur logique empirique (et parfois trompeuse) pour appréhender cela.

Pas seulement chez les profanes. Je viens de relire cet article : http://www.ca-se-passe-la-haut.fr/20...e-purs_13.html que tu donnais en lien plus haut. (Initialement parcouru en diagonale, je viens de le relire attentivement). La théorie élaborée semble solidement étayée et est en accord avec les observations.
Ce commentaire a particulièrement retenu mon attention :
<<La linéarisation des équations de la Relativité Générale produit un fait marquant : elle fait apparaître clairement un terme gravitomagnétique, et les équations obtenues se trouvent être très semblables à celles des équations de Maxwell de l'électromagnétisme. Le champ gravitomagnétique (ou champ gravitique comme l’appelle l’auteur de ces travaux) qui apparaît dans les équations, arrive tout à fait naturellement, il n'est pas un ajout ad hoc. >>
C'est tout de même autre chose que la matière noire qu'on ajoute ou qu'on enlève un petit peu selon les circonstances pour coller coûte que coûte aux observations.
La démonstration qui suit ce commentaire me semble convaincante, mais je ne suis pas qualifié pour en juger de manière pertinente.

[Gilgamesh]

Tout à fait d'accord. Mais les contraintes découlant de l'observation ne nécessitent pas obligatoirement qu'il s'agisse bien de matière noire. Il peut s'agir d'un autre phénomène produisant les mêmes effets. Dans l'état actuel des connaissances, on ne peut rien exclure. Et il se pourrait bien qu'à terme, MOND apparaisse plus évident. Mais ça, on ne le saura peut être que dans dix ou vingt ans (vision optimiste).

Le problème de MOND c'est que pour le coup l'hypothèse est ad hoc, c'est un modèle purement empirique, on rajoute un terme venu de nulle part pour coller au phénomène. Alors que concernant la matière noire, on a la preuve qu'il existe des particules massives qui ne sont sensibles qu'à l'interaction faible (les neutrinos) et que l'extension du Modèle Standard des particules prédit l'existence d'une foules de particules massives.

[papy-alain]

Et que penses tu de la validité du dernier article cité ? (#65)

[Gilgamesh]

Et que penses tu de la validité du dernier article cité ? (#65)

A ma connaissance, l'article n'a pas été per reviewé, je ne le trouve que sur arXiv. Donc pour l'instant, je n'en pense rien.

[papy-alain]

A ma connaissance, l'article n'a pas été per reviewé, je ne le trouve que sur arXiv. Donc pour l'instant, je n'en pense rien.

Mais la démonstration est élégante. La seule hypothèse formulée est que les galaxies soient présentes au sein d'amas galactiques, ce qui est systématiquement observé, et elle a le mérite d'apporter une réponse naturelle au problème posé par les petites galaxies satellites. Cela ne mérite-t-il pas un examen approfondi ?

[pascelus]

Ce ne serait pas plutôt de l'ordre de 80 % ?

D'après mes lectures il y aurait 2 sortes de matière noire:
- de la matière noire baryonique (des naines rouges, brunes, des planètes, des résidus d'étoiles...) tout cela estimé à environ 5-6% de la masse de l'univers
- de la matière noire non-baryonique (neutrinos, particules massives à faible interaction (WIMP), gravitino...) pour environ 83% de la masse totale de l'univers.

[papy-alain]

D'après mes lectures il y aurait 2 sortes de matière noire:
- de la matière noire baryonique (des naines rouges, brunes, des planètes, des résidus d'étoiles...) tout cela estimé à environ 5-6% de la masse de l'univers
- de la matière noire non-baryonique (neutrinos, particules massives à faible interaction (WIMP), gravitino...) pour environ 83% de la masse totale de l'univers.

Vu comme ça, ok. Quand je parle de MN, cela sous-entend matière non-baryonique, d'où la différence.

[pascelus]

Le problème de MOND c'est que pour le coup l'hypothèse est ad hoc, c'est un modèle purement empirique, on rajoute un terme venu de nulle part pour coller au phénomène.

Le terme rajouté dans l'article de S Le Corre qu'il nomme "champ gravitique" est issu de la linéarisation des équations de la RG, ce n'est pas à priori un ajout ad hoc. Mais effectivement cela n'a pas été encore revu...

Alors que concernant la matière noire, on a la preuve qu'il existe des particules massives qui ne sont sensibles qu'à l'interaction faible (les neutrinos) et que l'extension du Modèle Standard des particules prédit l'existence d'une foules de particules massives.

Il semblerait que leur masse extrêmement faible (encore inconnue tant elle est minime) ne permette pas aux neutrinos d'etre les candidats suffisants pour la MN, mais est-ce que les autres particules prédites ont une stabilité suffisante théorique (puisque encore jamais observées réellement) pour former des halos?

[Gilgamesh]

Le terme rajouté dans l'article de S Le Corre qu'il nomme "champ gravitique" est issu de la linéarisation des équations de la RG, ce n'est pas à priori un ajout ad hoc. Mais effectivement cela n'a pas été encore revu...

Oui, faut attendre avant de se prononcer.

Il semblerait que leur masse extrêmement faible (encore inconnue tant elle est minime) ne permette pas aux neutrinos d'etre les candidats suffisants pour la MN, mais est-ce que les autres particules prédites ont une stabilité suffisante théorique (puisque encore jamais observées réellement) pour former des halos?

Oui, le candidat WIMPS est la particule la plus légère qui conserve le nombre quantique de R-parité qui caractérise la supersymétrie (=LSP pour lightest supersymmetric particle). Elle est de ce fait stable. Dans le modèle supersymétrique minimal (MSSM) ce serait le neutralino le plus léger. Les neutralino sont les nouveaux fermions neutres prédit par la théorie supersymétrique : le photino superpartenaire du photon, zino superpartenaire du Z neutre et higgsino superpartenaire du (ou des) bosons de Higgs.

[pascelus]

Oui, le candidat WIMPS est la particule la plus légère qui conserve le nombre quantique de R-parité qui caractérise la supersymétrie (=LSP pour lightest supersymmetric particle). Elle est de ce fait stable. Dans le modèle supersymétrique minimal (MSSM) ce serait le neutralino le plus léger. Les neutralino sont les nouveaux fermions neutres prédit par la théorie supersymétrique : le photino superpartenaire du photon, zino superpartenaire du Z neutre et higgsino superpartenaire du (ou des) bosons de Higgs.

Merci pour ces infos!

As-t'on d'ors et déjà idée de la raison pour laquelle l'univers serait majoritairement "envahi" de ces hypothétiques WIMPs ?

[Gilgamesh]

Merci pour ces infos!

As-t'on d'ors et déjà idée de la raison pour laquelle l'univers serait majoritairement "envahi" de ces hypothétiques WIMPs ?

Ça se joue dans les premiers instants de l'univers et ça dépend de la section efficace d'annihilation de la particule.

L'énergie est l'addition quadratique de deux parties :

E² = (mc²)² + (pc)²

Dans un univers en expansion, le redshift va s'appliquer à p. Une particule qui avait une très forte impulsion au départ se retrouve avec presque rien à l'arrivée (aujourd'hui). Par contre son énergie de masse ne change pas. Une particule est dite relativiste lorsque pc>>mc², et non relativiste quand c'est l'inverse.

Les photons sont par définition relativistes E=pc. Leur énergie va donc décroître avec l'expansion, mais au départ leur énergie était très élevée. Ils vont pouvoir produire n'importe quel couple particules-antiparticules, dès lors que kT>mc² avec m la masse de la particule considéré et kT l'énergie moyenne des particules (donc des photons eux même) dans un milieu de température T. Puis quand l'énergie moyenne du milieu diminue en dessous de ce qui permet de créer ces couples, le annihilations ne sont pas compensées par des recréations, et la démographie de la particule chute exponentiellement, par un facteur de Boltzman du type exp(-mc²/kT) : c'est le découplage. Le rythme d'annihilation dépend lui même de deux facteurs : le taux d'expansion H et la section efficace d'interaction particule-antiparticule. Si l'expansion est très vigoureuse, les particules se retrouvent diluées avant de pouvoir se rencontrer pour s'annihiler. Si leur section d'interaction est petite les particules se croisent souvent sans se voir et ça ralentit également leur annihilation. Par ailleurs la section annihilation dépend souvent de la température (par exemple pour les neutrinos elle est proportionnelle au carré de l'énergie) qui est en constante diminution. Tout ça va créer des "survivantes".

Certaines particules se sont découplées alors qu'elles étaient encore relativiste, par exemple les neutrinos, vers 1 MeV, parce que c'est couplé avec les électrons.



De ce fait le facteur de Boltzman ne s'est pas appliqué et le fond neutrinique est surabondant (il y a autant de neutrinos primordiaux que de photons, en ordre de grandeur). Si le neutrinos pesait plus de 10 eV, l'univers serait surcritique de ce seul fait.

Les wimps (beaucoup plus massifs que les neutrinos, sinon ils auraient déjà été observés dans les accélérateurs) se sont forcément découplés dans un état non relativiste, de sorte que l'application du facteur de Boltzman après le découplage c'est appliqué pour diminuer drastiquement leur démographie, de sorte que leur densité actuelle pourrait ne pas être trop élevée. Pour un taux d'expansion donné, le bouton de réglage qui permet d'ajuster la densité relique, c'est la section efficace d’annihilation.

On trouve quelque chose du genre :



avec :
Ω_w le ratio de la densité de wimps à la densité critique,
h le paramètre usuel qui permet de prendre en compte la valeur exacte du taux d'expansion actuel (h₇₀=1 pour H₀=70 km/s/Mpc)
sigma la section efficace d'interaction,
v la vitesse d'agitation thermique
c la vitesse de la lumière.

Le reliquat de densité est inversement proportionnel à la section efficace d'annihilation. Plus elle est élevée, plus les particules sont détruites dans l'univers primordial.

Si on fait l'hypothèse que la matière noire est composée de wimps (donc que Ω_w ~ Ω_DM), on a déjà une idée où chercher en terme de section efficace.

[pascelus]

Ça se joue dans les premiers instants de l'univers et ça dépend de la section efficace d'annihilation de la particule.

.....

Si on fait l'hypothèse que la matière noire est composée de wimps (donc que Ω_w ~ Ω_DM), on a déjà une idée où chercher en terme de section efficace.

Merci beaucoup pour cette superbe explication!

En corolaire je comprends mieux pourquoi on espère un jour cartographier le fond diffus cosmologique de neutrinos, il en reste presque autant que de photons...

Si le candidat sélectionné reste le neutralino, sa détection est-elle hors de portée des 13 teraélectron-volt du LHC ou juste une question de patience?

[Gilgamesh]

Merci beaucoup pour cette superbe explication!

En corolaire je comprends mieux pourquoi on espère un jour cartographier le fond diffus cosmologique de neutrinos, il en reste presque autant que de photons...

Si le candidat sélectionné reste le neutralino, sa détection est-elle hors de portée des 13 teraélectron-volt du LHC ou juste une question de patience?

La détection de la LSP (ou autre candidat) fait clairement parti des objectifs scientifiques du LHC. Ça plus le boson de Higgs on pourrait vraiment dit qu'on a fait carton plein avec cet outil si elle y est découverte.

What particles and densities will the LHC (hopefully) find?

Une discussion de 2012 là dessus, avec une hypothèse à 10 GeV (donc assez faible)
Light neutralino in the MSSM: An update with the latest LHC results

Ci dessous une "photo de famille" des candidates matières noires :