Bonne année à tous sans polémiques excessives, seule la vraie science nous importe, et pour cela il n'y a pas de contestation possible sauf sur des sites qui n'ont rien à voir avec Futura. Par contre cela n'exclue pas le dialogue.
je n'arrive pas à trouver une explication claire des anisotropies du CMB et pourquoi il faut invoquer la matière noire.
Bonne année à toi.
L'existence d'anisotropie sur le CMB ne s'explique pas par la matière noire. On pense que les fluctuations prennent naissance dans la période d'inflation, et qu'elles sont de nature quantique.
Par contre, pour expliquer précisément leur évolution, et leur amplitude au moment où on les observe, il faut mettre une proportion précise de matière baryonique et noire.
Parcours Etranges
Got it mais pourquoi de la matière noire et pas un effet gravitationnel à grande échelle? Ne peut-on remplacer la matière noire par un effet gravitationnel autre?
On évoque ici des différences de températures extrêmement minimes. Ne sont elles pas tout simplement le reflet d'un univers hétérogène à petite échelle, même s'il est homogène à grande échelle ?
Par ailleurs, durant le long parcours de 13 milliards d'années avant de nous parvenir, ces ondes n'ont elles pas subi, durant leur long parcours, des effets Shapiro ayant légèrement modifié leur longueur d'onde ?
Les météorites ne peuvent exister car il n'y a pas de pierres dans le ciel. Lavoisier.
Si c'est exactement le cas l'univers est homogène à grande échelle et ne l'est pas à "petite" échelle ceci dit il faut dire que cette petite échelle est de l'ordre de 150 Mparsec: pas si petit. En 13,7 Md d'année le CMB s'est refroidi jusqu'à 2,7 K mais les anisotropies ont fait de même dans la même proportion en tous cas c'est ce que l'on suppose. Qui dit plus froid dit moins énergétique dit plus grande longueur d'onde.
C'est exactement ce que j'ai évoqué plus haut avec les fluctuations quantiques.Envoyé par papy-alain
L'effet Shapiro consiste en un retard dans la durée d'arrivée du signal, c'est tout à fait hors de propos ici (on n'a aucune durée de référence à laquelle se comparer).Par ailleurs, durant le long parcours de 13 milliards d'années avant de nous parvenir, ces ondes n'ont elles pas subi, durant leur long parcours, des effets Shapiro ayant légèrement modifié leur longueur d'onde ?
Il y a bien un effet gravitationnel à prendre en compte, l'effet Einstein qui joue sur la longueur d'onde, mais dans le cadre d'un univers en expansion, ça joue subtilement, et c'est décrit par l'effet Sachs-Wolfe intégré.
Dernière modification par Gilgamesh ; 06/01/2017 à 10h45.
Parcours Etranges
OK mais tout cela ne répond pas à ma question (sniff!). pourquoi la matière noire s'invite? Une étude récente m'interpelle, sur je ne sais quel amas galactique des mesures ont montré que le "centre de gravité" ne coïncide pas avec la matière visible mais est décalé "vers la gauche" (influence de la CGT ? C'est une blague allez on peut se le permettre ou pas?) blague à part j'ai vu cette étude mais je ne sais plus ou.
C'est une longue histoire, déjà.
En 1933 l'astronome Fritz Zwicky mesure la distribution des vitesses des galaxies de l'amas de Coma. Un des théorèmes les plus fameux de l'astrophysique, le théorème du viriel dit que l'énergie cinétique Mv2/2 d'un système lié par la gravitation représente la moitié de son énergie gravitationnel GM2/R. Il estime M avec la luminosité de l'amas, R est donné par la taille angulaire et la distance, et il trouve que si l'amas a cette masse là, il devrait être dissocié depuis longtemps. Ça introduit donc l'idée que la masse lumineuse n'est pas le bon estimateur de la masse totale, de plus d'un ordre de grandeur. En 1936 Sinclair Smith fait une mesure similaire dans l'amas de Virgo et arrive aux mêmes conclusions.
Puis ces résultats obtenus sur les amas de galaxie se prolongent sur les galaxies elles mêmes. En 1939 Babcock mesure la rotation de la galaxie d'Andromède, et trouve qu'elle est beaucoup plus élevée que ce qu'on attendait. Pareillement en 1940 Oort mesure aussi une rotation anormalement importante dans la galaxie NGC 3115. En 1959, Louise Volders montre que les mesures de la courbe de rotation de M33, réalisée grâce à la détection de la raie de l'hydrogène neutre, ne décroissent pas selon le rayon (loi de Kepler) comme on s'y attend en se basant sur la distribution de lumière. En 1963 Arrigo Finzi obtient des conclusion analogue en se basant cette fois sur le mouvement des amas globulaires autour de notre galaxie. Elle calcule que la masse déduite de leur vitesse orbitalea une valeur 3 fois plus grande que celle provenant des mesures de rotation de la partie centrale. Ça se précise encore en 1970, où Vera Rubin et W. Ford Jr mesurent la rotation de la galaxie d'Andromède (M31). Ceci marque le début d'une série de mesures systématiques qui vont mettre en évidence le fait que les courbes de rotation des galaxies spirales sont plates à grande distance du centre, ce qui ne n'explique pas avec la composante visible. Ce résultat est confirmé et étendu en 1975 par Roberts et Whitehurst qui observent M31 dans la raie à 21 cm de l'hydrogène ce qui leur permet de mesurer la courbe de rotation bien plus loin du centre que ce qu'on peut faire en optique. Entre temps, en 1973 Ostriker et Peebles on montré par des simulations numériques que les disques galactiques sont instables en l'absence d'un halo étendu de matière noire.
Quelle est la nature de cette matière noire. On pense aux neutrinos, mais en 1982 Peebles montre qu'il est difficile de comprendre la formation des galaxies si la matière noire est constituée de neutrinos. Il étudie l'hypothèse de particules plus massives, ce qui lance l'idée que la matière noire est froide (CDM pour cold dark matter). Hypothèse reprise en 1984 par Blumenthal, Faber, Primack et Rees pour expliquer la formation des grandes structures. En 1984 toujours, John Ellis et ses collaborateurs étudient de manière détaillée l'hypothèse que la matière noire soit constituée de particules supersymétriques. L'existence de ce type de particules a été introduite en 1981 par Georgi et Dimopoulos qui proposent une extension supersymétrique réaliste au modèle standard, le MSSM (minimal supersymmetric standard model), dans lequel les superpartenaires ont des masses de l'ordre de la centaine de GeV. En 1985, un article de Goodman et Witten lance l'idée d'une détection directe, et de premières expériences sont montées en 1986 à Homestake et Oroville. En 1988, l'expérience japonaise Super-Kamiokande révèle que le neutrino ne représente que 20% de la masse manquante.
En 1990 on mesure de la répartition de matière noire dans l'amas Abell 1649 grâce à l'effet de lentille gravitationnelle. Et en 2004 l'analyse de la distribution de matière noire dans le "bullet cluster", apporte un argument fort dans dossier en faveur de la matière noire sur celle de la gravité modifiée (MOND).
Dans les années 90, deux programmes, EROS (Expérience de Recherche d'Objets Sombres) et MACHO (Massive Compact Halo Objet), ont pour objectif de d'estimer la composante baryonique de la matière noire (naines brunes, planète, trous noirs) dans les halos galactiques par effet de microlentille gravitationnelle. Ces deux études révèlent que les objets compacts sombres ne représentent pas plus de 15% de la matière noire.
Il reste encore la composante gazeuse. La matière noire semble présente en grande quantité dans les galaxies à forte luminosité. Ce qui pourrait suggérer que la matière sombre se condense pour former des étoiles rendant la galaxie plus lumineuse, tandis qu'elle reste sous forme de gaz d'hydrogène dans les galaxies peu lumineuses.Mais cette hypothèse n'est valable qu'à l'échelle des galaxies alors que la quantité de matière sombre est encore plus importante aux grandes échelles.
Plus de références historiques ici, rassemblé par Richard Taillet : http://lapth.cnrs.fr/pg-nomin/taille...e/histoire.php
Si on synthétise :
- la masse lumineuse et les lois de Newton ne suffisent pas à expliquer la dynamique de l'univers. L'ajout de composante baryonique sombre (astre non lumineux, gaz d'amas) ne permet pas de faire le compte, pas plus que la prise en compte des neutrinos.
- la modification des lois de la gravitation ne permet pas de reproduire l'ensemble des phénomènes invoqués
- si on met une composante sombre froide (CDM), on explique la dynamique des galaxie, celle des amas, les effets de lentilles, la formation des grandes structures. En partant des inhomogénéités du CMB, on peut reproduire la croissance des structure (leur masse augmente linéairement avec l'âge de l'univers). Sans matière noire, toutes les simulations échouent, les structures ne se forment pas assez rapidement.
Avec ces différents éléments qui permettent de circonscrire les hypothèses permises, on réalise un modèle d'univers avec deux paramètre principaux : densité de matière baryonique et densité de matière sombre. On ajuste ces deux paramètres pour qu'ils reproduisent exactement le spectre des fluctuation du CMB. Et ça donne les valeurs que l'on trouve aujourd'hui dans la littérature.
Dernière modification par Gilgamesh ; 06/01/2017 à 10h42.
Parcours Etranges
Merci c'est assez convaincant, il est aussi question du neutrino stérile comme candidat à la matière noire celui ci serait beaucoup plus massif que ses frères.
Oui, j'ai mentionné uniquement l'hypothèse supersymétrique, parce que c'est l'hypothèse la plus séduisante, mais il y a un véritable zoo de candidats matière noire. On pense qu'elle est majoritairement froide (v/c < 10-8), à part ça, y'a du monde au portillon.
Si on résume on a :
1. Les candidats baryoniques
1.1. Les MACHOs (massive compact halo objects)
Naine brune (m < 0.08 M⊙)
Jupiters (m < 0.001 M⊙)
Trous noirs classiques (m ~ 100 M⊙)
1.2. Du gaz d'hydrogène froid
De fait une partie de la matière noire est baryonique. La densité de baryon déduite de la nucléosynthèse et de l'analyse du CDM est b~0.05 et tout ce qui est visible (étoiles, gaz, poussière) représente lum~0.01
1.3. Les trous noirs primordiaux
Je ne développe pas.
2. Les neutrinos
On dispose d'argument probant pour prédire un fond de neutrino fossile de densité n ~ 115 cm-3 et à la température de 3K. Pour atteindre la densité critique, il faudrait que la masse des neutrinos soit de 44 eV, ce qui est beaucoup trop. Pour ce qu'on en sait, m < 0.63 eV De plus les neutrino sont "chauds" (v ~ c) ce qui ne convient pas dans le cadre du scénario de formation des grandes structures. Il nous faut un candidat mDM > 2 keV.
Bon, mais il n'empêche que ces neutrinos existent quand même, et ils forment ce qu'on appelle la matière noire chaude (HDM pour Hot Dark Matter)
3. Les extensions du Modèle standard des particules (MS)
On rentre dans le Grand Zoo.
Le MS est incomplet :
Il comporte plus de 18 paramètres libres.
Il n'unifie pas les quatre forces, la gravité en est exclue.
Il montre une violation des symétries P et CP (je ne développe pas)
Il n'explique pas l'origine du déséquilibre matière/antimatière
Il propose trois (et seulement trois) familles de particules, on ne sait pas pourquoi.
Il ne permet pas d'expliquer la masse des particules et notamment pourquoi elles sont si faibles devant la masse de Planck
Bref, c'est encore un grand chantier.
Il y a plusieurs extensions possibles, et chacunes proposent de nouvelles particules, qui sont autant de candidate matière noire. Parmi ces extensions, les plus populaires sont :
3.1. La supersymétrie (SUSY) → LSP (pour lightest supersymmetric particle, la particule supersymétrique la plus légère).
L'idée de base de la supersymétrie repose sur l'existence d'un nombre quantique supplémentaire conservé dans l'univers, le nombre de R-parité. La particule supersymétrique la plus légère serait celle qui résulte de la désintégration successives des particules plus massives, comme le photon, l'électron, les quark u et d le sont de ce côté-ci de la supersymétrie. Bien que très massive (>100 GeV) elle serait protégé d'une désintégration en particule encore moins massive par son nombre de R-parité. Elle serait de plus neutre en terme de couleur (insensible à l’interaction forte) et de charge électrique (insensible à l'interaction électromagnétique) et donc uniquement sensible à l'interaction faible.
Généralement la LSP est désignée comme étant le neutralino, une particule à découvrir et qui serait en fait une combinaison de superparticules : photino (partenaire du photon), zino (partenaire du boson Z neutre), higgsinos (partenaires des bosons de Higgs). D'autres combinaisons sont possibles.
3.2. Les théories de Kaluza-Klein (KK). → LKP (pour lightest Kaluza-Klein particle, la particule Kaluza-Klein la plus légère).
L'idée de la théorie KK repose sur l'existence de dimension supplémentaire enroulées sur elles-mêmes avec un diamètre de l’ordre de la longueur de Planck. Dans ce cadre, on suppose que le modèle standard est confiné dans un espace à trois dimensions lui-même imbriqué dans un volume de dimension supérieure. Ce volume est compacté. La gravité est la seule force à se propager dans tout le volume disponible, ce qui expliquerait son insigne faiblesse. La théorie des dimensions supplémentaires UED (Universal Extra Dimension) propose une WIMP s’appelant Kaluza-Klein Dark Matter (KKDM).
3.3. Théorie de Peccei-Quinn (1977) → Axion
Les axions, dont le nom vient de la notion d'axe de symétrie, n'ont pas du tout été inventés pour résoudre le problème de la matière noire, mais pour résoudre une anomalie qui apparaît dans l'interaction forte concernant la symétrie CP. C'est assez ardu. Une bonne introduction ici : Axions : l'Autre Matière Noire
3.4. Le neutrino stérile.
Nous savons que les neutrinos existent, et qu'ils ont une masse. Pour les théoriciens, ils ouvrent la voie d'une extension du MS dans laquelle, une fois complètement renormalisée, il existerait un neutrino massif. Il s'agirait alors d'une quatrième saveur, encore non détectée. On le qualifie de stérile au sens où il n'interagirait pas par courant neutre (couplage avec le boson Z°), car c'est exclus par les expériences de détection directe. Sa masse doit être suffisamment élevée pour expliquer qu'on ne le voit pas en accélérateur, et pour qu'il ne perturbe pas les calculs de nucléosynthèse primordiale, qui indiquent qu'il n'y avait que trois espèces de particules relativistes (en plus des photons) à ce moment, ce qui correspond aux trois espèces de neutrinos que l'on connaît déjà. Le neutrino lourd devrait l'être suffisamment pour être non-relativiste au moment de la nucléosynthèse primordiale. Et par un mécanisme dit de bascule (seesaw) il serait d'autant plus massif que les neutrinos actifs (ceux déjà observés) seraient légers.
Et plein d'autres encore... Le schémas ci-dessous propose une "photo de famille" des candidates matières noires.
Pour aller plus loin, un exposé assez sympa sur le sujet (en anglais) : Dark Matter Candidates (pdf)
Dernière modification par Gilgamesh ; 17/08/2019 à 00h37.
Parcours Etranges
Merci Gilga c'est vraiment super documenté.
