Matière noire, compléments d'information

[curiossss]

Les tenants de la Matière Noire disent expliquent les vitesses excessives des étoiles en périphérie des galaxies par la présence d'une masse énorme de matière noire distribuée de façon sphérique et englobant en son sein la galaxie. La matière noire s'étendant bien au delà de la galaxie.

Je me pose quelques questions :
Je n'ai jamais lu de description de la densité théorique de matière noire dans l'espace. Quelqu'un l'a connait ? Est-elle distribuée uniformément ? La constante gravitationnelle est-elle considérée la même pour la matière noire et la matière ordinaire ?

De mes cours de physique je me rappelle que pour une sphère de matière de densité constante la force gravitationnelle au sein de la sphère est proportionnelle à sa distance au centre. Car la force gravitationnelle de toute la matière plus éloignée du centre ne compte pas : une masse placée à l'intérieur d'un anneau de matière (même élément, même densité partout) ne subit aucune force gravitationnelle de la part de l'anneau : les forces attractives se compensent et donnent une résultante nulle.
J'en déduis donc que pour expliquer le surplus de vitesse d'une étoile située à une distance r du centre de la galaxie seule compte la matière noire comprise dans la sphère de rayon r. Donc pour expliquer la vitesse de toutes les étoiles d'une galaxie il suffirait d'une sphère de matière noire de rayon égal au rayon de la galaxie. Pourquoi alors dit-on qu'il faut une sphère de matière noire qui s'étendrait bien au-delà de la galaxie ? Pour expliquer la vitesse des galaxies au sein des amas de galaxies ? On applique le même remède aux amas de galaxies avec une sphère de matière noire englobant tout l'amas ? Et pour les super-amas ? Et dans tous ces scénarios la densité de matière noire est la même ou bien fixée au cas par cas à partir des vitesses mesurées ?

Merci pour toutes réponse même partielle.
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[curiossss]

Et un Bonjour tardif. Désolé.

[Lansberg]

Bonjour,

Je me pose quelques questions :
Je n'ai jamais lu de description de la densité théorique de matière noire dans l'espace.

Le paramètre de densité de la matière noire pour l'univers à grande échelle est Ωm = 0,27 (celui de la matière baryonique est proche de 0,05 et celui d'énergie noire de 0,68, la somme donnant 1 pour un univers de courbure nulle).
Ramené en unité plus parlante cela donne environ 2,2 x 10^-27 kg/m³ ou encore 1,2x10^-6 GeV/cm³.

Est-elle distribuée uniformément ?

Non. On trouve dans des publications récentes, pour la voie lactée, une densité bien plus élevée au centre qu'autour :~ 8 GeV/cm³ à 1kpc du centre et 0,3 GeV/cm³ à la distance du Soleil (et ça diminue pour le halo). Les vides cosmiques auraient une densité en matière noire 10 fois plus faible que la densité moyenne. Cela répond, je pense, à la question sur l'extension du halo.

La constante gravitationnelle est-elle considérée la même pour la matière noire et la matière ordinaire ?

Oui.

Et dans tous ces scénarios la densité de matière noire est la même ou bien fixée au cas par cas à partir des vitesses mesurées ?

Il semble que ce soit plutôt du cas par cas, puisque certaines galaxies seraient plus riches en matière noire que d'autres. Certaines galaxies naines en seraient dépourvues ou l'aurait perdue par interaction avec une galaxie plus grosse. Une étude récente concernant la voie lactée montrerait qu'elle serait relativement pauvre en matière noire par rapport à ce qu'on peut constater pour des galaxies spirales de taille semblable. Le rapport matière noire sur matière baryonique serait de 3 alors qu'on constate plutôt des rapports de 6 voir davantage.
Tout au conditionnel car dans ce domaine ça change souvent !!

[curiossss]

Merci pour ces informations.

Est-ce que la masse des galaxies + leur matière noire associée permet d'expliquer leurs vitesses au sein des amas de galaxies, ou bien faudrait-il encore de la matière noire ?

Est-ce que les lentilles gravitationnelles créés par les galaxies permettent d'estimer leur masse ?

La matière noire serait sensible à la gravitation de la matière ordinaire et vice-versa.
Comme il y a des amas de matière ordinaire qui se forment indépendamment les uns des autres, malgré leurs champs gravitationnels, alors pourrait-il y avoir des amas de matière noire qui se formeraient indépendamment de la matière ordinaire ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[curiossss]

Désolé, encore une question :
On observe des galaxies à des distances différentes donc à des âges différents.
Est-ce que la proportion de matière noire calculée pour les galaxies anciennes et récentes est la même ?

[Lansberg]

Est-ce que la masse des galaxies + leur matière noire associée permet d'expliquer leurs vitesses au sein des amas de galaxies, ou bien faudrait-il encore de la matière noire ?

C'est le même problème que pour les vitesses des étoiles au sein d'une galaxie. Mais il faudrait une masse de matière noire jusqu'à 30 fois celle de la masse visible de l'amas.

Est-ce que les lentilles gravitationnelles créés par les galaxies permettent d'estimer leur masse ?

Les lentilles gravitationnelles sont utilisées pour déterminer les masses des galaxies ou amas de galaxies qui provoquent l'effet de lentille. Là encore, la proportion de matière noire peut être évaluée.

La matière noire serait sensible à la gravitation de la matière ordinaire et vice-versa.
Comme il y a des amas de matière ordinaire qui se forment indépendamment les uns des autres, malgré leurs champs gravitationnels, alors pourrait-il y avoir des amas de matière noire qui se formeraient indépendamment de la matière ordinaire ?

Quelques infos : https://fr.wikipedia.org/wiki/Galaxie_noire

[Lansberg]

Désolé, encore une question :
On observe des galaxies à des distances différentes donc à des âges différents.
Est-ce que la proportion de matière noire calculée pour les galaxies anciennes et récentes est la même ?

Des études ont montré que dans l'univers jeune la matière noire ne jouait pas un grand rôle au sein des galaxies. Cela a été obtenu par les courbes de rotation. Il faut du temps pour que la gravitation concentre de la matière noire à l'intérieur et au centre des galaxies.

[Gilgamesh]

Concernant la distribution de la matière noire dans l'espace, les résultats des simulations dans le cadre du modèle ΛCDM montrent une loi de densité universelle pour les halos de matière noire, cela donne les profils NFW (Navarro, Frenk & White 1997).

NFW profile:



Avec :
ρ₀ une densité critique,
r_s le rayon caractéristique
qui doivent être paramétrés pour chaque halo.

Ceela donne deux loi de puissance comme indiqué dans le schéma ci-dessous) :
ρ ~r^-1 au centre (r<r_s),
puis ρ~r^-3 au bord.

source : Physique des Amas de Galaxies de Françoise Combe

Le modèle ainsi obtenu n'est pas sans reproche. Ça donne une répartition en générale trop "piquée" au centre (pour r=0 on a une singularité) qui ne correspond pas à beaucoup de profil, faut souvent raboter un peu. Ça donne également un moment angulaire en général un peu trop faible. Nonobstant c'est globalement assez correct.

D'autres modèles ici : Dark Matter in Galaxies

[curiossss]

Ok merci à vous deux pour ces précisions qui permettent d'y voir un peu mieux. J'essaye de faire la part des choses entre Matière Noire et MOND, sachant que de toutes façons les deux théories peinent à expliquer toutes les observations. Il est néanmoins intéressant de connaitre pourquoi elles réussissent à expliquer, chacune de son côté, partiellement les observations.

Un dernière question :
Si matière ordinaire et matière noire finalement se comporteraient de façon assez indépendante à part le fait que les deux types de matière s'attirent, on devrait assister à toutes les proportions de mélanges entre matière ordinaire et matière noire. Or elles semblent corrélées dans le cas des galaxies visibles : il y a juste ce qu'il faut de matière noire pour que la courbe des vitesses des étoiles dans les galaxies soit à peu près plate lorsqu'on s'éloigne du centre.
Comment une particule de matière noire sait-elle si elle est en trop ou pas ? (pour poser la question d'une façon imagée). Une explication a été proposée ?

[Lansberg]

J'essaye de faire la part des choses entre Matière Noire et MOND, sachant que de toutes façons les deux théories peinent à expliquer toutes les observations. Il est néanmoins intéressant de connaitre pourquoi elles réussissent à expliquer, chacune de son côté, partiellement les observations.

Le débat est vif sur ce sujet. Il faut espérer que la mission Euclid apportera une réponse.

Un dernière question :
Si matière ordinaire et matière noire finalement se comporteraient de façon assez indépendante à part le fait que les deux types de matière s'attirent, on devrait assister à toutes les proportions de mélanges entre matière ordinaire et matière noire.

C'est peut être le cas. Il faudrait un très grand nombre d'observations à des z différents (donc des époques différentes) pour vérifier si ça colle.

Or elles semblent corrélées dans le cas des galaxies visibles : il y a juste ce qu'il faut de matière noire pour que la courbe des vitesses des étoiles dans les galaxies soit à peu près plate lorsqu'on s'éloigne du centre.

Ce ne serait pas le cas pour la voie lactée. Les étoiles de la partie externe de la galaxie auraient une vitesse décroissante (selon les lois de Kepler). Si c'est vérifié, la voie lactée "manquerait" de matière noire.
D'autres exemples existent comme NGC1277 dans laquelle la matière noire est quasi absente.

Comment une particule de matière noire sait-elle si elle est en trop ou pas ? (pour poser la question d'une façon imagée). Une explication a été proposée ?

Quand on aura le fin mot de l'histoire on comprendra sûrement que cette question n'a pas de sens !!

[curiossss]

Ce ne serait pas le cas pour la voie lactée. Les étoiles de la partie externe de la galaxie auraient une vitesse décroissante (selon les lois de Kepler). Si c'est vérifié, la voie lactée "manquerait" de matière noire.

Ce serait un peu étonnant si cela venait à se confirmer. Car j'avais cru comprendre que l'absence de matière noire ou du moins une très petite quantité a été remarquée uniquement dans les très vieilles galaxies qui ne créent plus de nouvelles étoiles. Or notre galaxie n'est pas vieille et produit encore de nouvelles étoiles. Il doit y avoir une corrélation entre quantité de matière noire et création de nouvelles étoiles. Si c'est le cas cela signifierait que notre galaxie est en cours de perte de vitesse dans la production de nouvelles étoiles ?
Ce qui amène au questionnement suivant : pourquoi la matière noire quitterait-elle une vieille galaxie qui ne produit plus de nouvelles étoiles ? (non, ne comparez pas avec le comportement humain )

[Lansberg]

Ce serait un peu étonnant si cela venait à se confirmer. Car j'avais cru comprendre que l'absence de matière noire ou du moins une très petite quantité a été remarquée uniquement dans les très vieilles galaxies qui ne créent plus de nouvelles étoiles. Or notre galaxie n'est pas vieille et produit encore de nouvelles étoiles. Il doit y avoir une corrélation entre quantité de matière noire et création de nouvelles étoiles.

L'étude est récente et s'appuie sur les données du dernier catalogue de Gaïa. Il faut bien sûr attendre pour avoir des confirmations. Ceci dit, parler de galaxies jeunes ou vieilles ne me semble pas approprié. Les galaxies se sont formées dans le jeune univers, mais en fonction de leur redshift on les observe à des âges différents (les plus vieilles étant les plus proches !). Les auteurs de la publication en question, pensent que les interactions de la voie lactée avec d'autres galaxies auraient été relativement limitées d'où le manque de matière noire pouvant être capturée (avec sûrement de la matière baryonique et des étoiles). Cela s'appuierait sur l'observation de galaxies naines pauvres en matière noire qui aurait été perturbées gravitationnellement par une ou des galaxies proches entrainant, entre autres, la perte de matière noire.

[curiossss]

Quand je parlais de galaxies vieilles je faisais référence aux galaxies composées essentiellement de vieilles étoiles (donc galaxies qui ne créent plus de nouvelles étoiles).

La perte de matière noire serait donc liée à des interactions avec d'autres galaxies, comme par exemple dans l'Amas de la Balle ?
Mais dans ce cas la matière noire semble se désolidariser des gaz plutôt que des étoiles anciennes (c'est une déduction personnelle, à confirmer donc).

[Lansberg]

La perte de matière noire serait donc liée à des interactions avec d'autres galaxies, comme par exemple dans l'Amas de la Balle ?

C'est une hypothèse qui a l'avantage d'expliquer pourquoi certaines galaxies sont plus pauvres que d'autres en matière noire.

Mais dans ce cas la matière noire semble se désolidariser des gaz plutôt que des étoiles anciennes (c'est une déduction personnelle, à confirmer donc).

Cette "désolidarisation" m'échappe un peu. L'échange de matière entre galaxies concerne aussi la matière baryonique.

[curiossss]

Dans le cas de l'amas de la Balle, il semble que les gaz des deux amas de soient 'percutés', donc freinés mutuellement, chauffant fortement ces gaz, tandis que les étoiles auraient continué leur route et la matière noire aussi.

Si la matière noire existe sous forme de poussières l'amas de la Balle permettrait de conclure que la matière noire n'interagit pas avec elle-même, tout comme elle n'interagit (*) pas avec la matière ordinaire, n'est ce pas ?

Ou alors la matière noire est présente sous forme de gros agrégats avec moins de chances de se percuter ?

(*) : elle n'aurait aucune sorte d'interaction avec la matière ordinaire ou avec la matière noire à part l'interaction gravitationnelle. Mais un choc élastique entre particules de matière noire reste possible ?

[curiossss]

(message en double. Supprimé)

[Lansberg]

Dans le cas de l'amas de la Balle, il semble que les gaz des deux amas de soient 'percutés', donc freinés mutuellement, chauffant fortement ces gaz, tandis que les étoiles auraient continué leur route et la matière noire aussi.

Il existe différents scénarios. Je ne sais pas s'il existe une réponse claire.

Si la matière noire existe sous forme de poussières l'amas de la Balle permettrait de conclure que la matière noire n'interagit pas avec elle-même...

Au contraire, les modèles que j'ai vus, reposent sur l'auto-interaction gravitationnelle de la matière noire. Le problème est d'avoir suffisamment d'observations de collision d'amas pour en tirer des conclusions. Un seul exemple ne suffit pas.

Ou alors la matière noire est présente sous forme de gros agrégats avec moins de chances de se percuter ?

Si on se réfère aux publications sur la répartition de la matière noire au sein d'une galaxie on est plutôt sur un gradient de densité que sur des agrégats.