Vitesse de rotation des galaxies

[invited927d23c]

Bonjour,

J'ai souvent lu (livre, FS, internet) que la vitesse de rotation des galaxies (pas tous je crois) était plus élevée que ce que l'on obtient par le calcul, et que c'était une des raisons d'introduire la matière noire.
Dans le livre "Dernières nouvelles du cosmos" (p.68) il y a un graphique montrant la vitesse orbitale mesurée des étoiles dans la Voie lactée, et la courbe qu'on obtient par le calcul. Les données expérimentales disent que la vitesse augmente jusqu'à un rayon d'environ 10.000 al, et reste stable ensuite (~150 Km/s). Alors que les calculs donnent une courbe croissante jusqu'à 5000 al, et décroissante ensuite.

Mes questions :

- Comment obtient-on cette courbe théorique? Car moi je ne trouve absolument pas ça en utilisant les lois de Newton.

- Le soleil se trouvant à ~24500 al à une vitesse orbitale de ~250 Km/s (données de wiki). Dans ce livre sa vitesse serait de ~150 Km/s, je suppose que ce graphe est faux?

- Où peut-on trouver des données (graphe de la vitesse de rotation, distribution de masse,...) de galaxies où le problème de la vitesse de rotation est particulièrement prononcé?

J'ai voulu calculer la vitesse de rotation de notre soleil, j'ai trouvé sur internet une masse de la voie lactée d'environ 400 milliards de masses solaires, et un rayon de ~100.000 al. Avec ces données j'ai trouvé une vitesse ~235 Km/s, ce qui est une bonne approximation, alors que je m'attendais à trouver une valeur impossible, vu la tête de mes calculs et les simplifications faites .

- D'après mon calcul, la vitesse orbitale est proportionnelle à la racine carrée du rayon de la trajectoire.

- Cette masse que j'ai trouvée pour la Voie lactée, c'est avec ou sans matière noire?

J'aimerais bien m'assurer moi même qu'il y a un problème avec la vitesse de rotation des galaxies, mais je manque cruellement de données.

Merci d'avance pour vos réponses.
-----

[invite6ed3677d]

Bonjour

Pour calculer la vitesse de rotation en fonction du rayon, il faut prendre en compte la distribution de matière (disque exponentiel par exemple) et l'influence du gaz interstellaire. C'est une équation assez compliqué que j'ai essayer de résoudre pendant pas mal de temps sans jamais y parvenir ...

Une galaxie ne tourne pas uniformément (ce n'est pas un solide indéformable) ! Pour calculer la vitesse d'une étoile, il faut prendre en compte son proche environnement qui agit gravitationnellement sur elle mais aussi sa vitesse propre qui dépend entre-autre de la vitesse moyenne et de la dispersion en vitesse (parametre de Toomre).

Un petit lien là dessus : http://florenaud.free.fr/Astro/Noire.php

En ce qui concerne le calcul ... il faudrait utiliser un bon ordinateur avec de bon algorithmes. Je ne pense pas que ça puisse se montrer "comme ça".

[invite8c514936]

Bonjour,

Le gaz interstellaire n'agit que par sa masse, donc une fois qu'on connait la distribution de masse, pas besoin de faire la différence entre étoiles et gaz !

- Le soleil se trouvant à ~24500 al à une vitesse orbitale de ~250 Km/s (données de wiki). Dans ce livre sa vitesse serait de ~150 Km/s, je suppose que ce graphe est faux?

La vitesse du plateau de la courbe de rotation dépend des galaxies. Pour la nôtre c'est plutôt 220 km/s, mais les 150 km/s que tu cites ne sont pas délirants s'il s'agit d'une autre galaxie. Il faut d'ailleurs noter que la courbe de rotation est beaucoup plus difficile à mesurer dans notre galaxie quand dans les galaxies voisines !

D'après mon calcul, la vitesse orbitale est proportionnelle à la racine carrée du rayon de la trajectoire.

C'est si tu supposes que toute la masse de la galaxie est concentrée en un point, ce qui n'est pas le cas pour notre galaxie.

- Cette masse que j'ai trouvée pour la Voie lactée, c'est avec ou sans matière noire?

Ce que tu as calculé, c'est en gros la masse de la partie de la Galaxie comprise à l'intérieur de la région que décrit le Soleil lorsqu'il tourne dans la Galaxie.

Au passage, on obtient une courbe de rotation plate en supposant que la distribution de masse est à symétrie sphérique et de densité décroissant en 1/r^2.

[invited927d23c]

Pour calculer la vitesse de rotation en fonction du rayon, il faut prendre en compte la distribution de matière (disque exponentiel par exemple) et l'influence du gaz interstellaire. C'est une équation assez compliqué que j'ai essayer de résoudre pendant pas mal de temps sans jamais y parvenir ...

Je suis tout à fait d'accord avec toi, j'avais même cherché pas mal de temps sur Google, mais je n'ai pas trouvé beaucoup d'informations sur la distribution de la masse au sein d'une galaxie. En fait, j'aimerais étudier un cas concret, mais il me faudrait un maximum de données sur une galaxie.

Dans mon calcul pour la vitesse de notre système solaire autour du centre de la Voie lactée, j'ai admis que la Voie lactée était un disque de densité constante. Et c'est pour ça que j'ai été particulièrement étonné par la précision du résultat que j'ai trouvé (qui ne dévie que de 15 Km/s de la valeur donnée sur Wiki).

Une galaxie ne tourne pas uniformément (ce n'est pas un solide indéformable) ! Pour calculer la vitesse d'une étoile, il faut prendre en compte son proche environnement qui agit gravitationnellement sur elle mais aussi sa vitesse propre qui dépend entre-autre de la vitesse moyenne et de la dispersion en vitesse (parametre de Toomre).

Je conçois bien une galaxie comme un système dynamique, voir 'chaotique'. Mais pour faire des calculs je me le représente comme un disque à symétrie sphérique de masse, sur lequel les étoiles sont réparties de manière +/- homogène, de telles sortes que la force gravitationnelle moyenne résultante sur un objet est centripète. Je considère globalement le mouvement comme uniforme, mais localement c'est bien sur l'objet le plus lourd qui domine.

Merci pour toutes autres réponses

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitec215aece]

ton aproximation de disque uniforme est cohérente avec ton résultat en racine carée du rayon de la trajectoire.

a=V²/R ca ne te rappelle pas qqch?

Ce serait pour une trajectoire ciculaire.
mais à mon avis, si tu faisais le même calcul pour la terre qui a une trajectoire elliptique, tu ne devrais pas être très loin des min et max.

@+

[invite8c514936]

Je considère globalement le mouvement comme uniforme, mais localement c'est bien sur l'objet le plus lourd qui domine.

Il faut faire attention : la force gravitationnelle décroit en 1/r^2, et

1/ le nombre d'objets situés à une distance r croît en r^2 dans un milieu homogène tridimensionnel. Les deux se compensent si bien que les objets proches ne dominent pas du tout : toute coquille sphérique centrée sur nous contribue de la même façon à la gravité que nous ressentons (dans un milieu homogène).

2/ Par contre dans un disque, le nombre d'objets situés à une distance r croît comme r, si bien que là effectivement ce sont les objets proches qui dominent si le disque est homogène... mais ce n'est pas le cas des galaxies !

[invited927d23c]

J'attendais déjà ta réponse deep_turtle.

Dans le livre il parle toujours de "Notre galaxie", mais c'est donc sûrement le graphe d'une autre (en fait, c'est sans importance).

C'est si tu supposes que toute la masse de la galaxie est concentrée en un point, ce qui n'est pas le cas pour notre galaxie.

J'avais cru ne pas le faire, mais je viens d'y réfléchir, et sans le vouloir c'est ce que j'ai fait. Disons que c'est peu réaliste .

ce que tu as calculé, c'est en gros la masse de la partie de la Galaxie comprise à l'intérieur de la région que décrit le Soleil lorsqu'il tourne dans la Galaxie.

Les 400 milliards de masses solaires je les ai trouvé sur :
http://www.cosmovisions.com/vola.htm
Alors que sur Wiki il parle de 750-1000 milliards de masses solaires. Qu'elle est la bonne valeur.

Est-ce que tu aurais des données précises pour une ou des galaxies (arxiv ne m'a rien donné, mais j'ai du mal avec les mots clés en anglais)? Car sur Google je trouve plein d'infos généraux.
Et j'aimerais bien faire un petit programme qui calcule la vitesse de rotation en fonction de la distribution de masse (bien sur rien de très compliquer).

Merci d'avance

[invited927d23c]

Il faut faire attention : la force gravitationnelle décroit en 1/r^2, et

1/ le nombre d'objets situés à une distance r croît en r^2 dans un milieu homogène tridimensionnel. Les deux se compensent si bien que les objets proches ne dominent pas du tout : toute coquille sphérique centrée sur nous contribue de la même façon à la gravité que nous ressentons (dans un milieu homogène).

2/ Par contre dans un disque, le nombre d'objets situés à une distance r croît comme r, si bien que là effectivement ce sont les objets proches qui dominent si le disque est homogène... mais ce n'est pas le cas des galaxies !

Je me suis un peu mal exprimé, en fait je parlais des inhomogénéités locales.

[invite8c514936]

Tu peux jeter un coup d'œil sur ce papier par exemple, l'anglais n'est pas shakespearien et il y a des formules explicites... Et n'hésite pas à demander si tu veux des détails sur un truc !

[invited927d23c]

Tu peux jeter un coup d'œil sur ce papier par exemple, l'anglais n'est pas shakespearien et il y a des formules explicites... Et n'hésite pas à demander si tu veux des détails sur un truc !

Merci beaucoup! C'est ce que je cherchais, surtout un truc avec des formules 'compréhensibles' à mon niveau.

En fait, je voudrais écrire un PDF sur des phénomènes ou principes inexpliqués en physique quantique/cosmologie, et j'ai décidé de commencer par la matière sombre et les vitesses de rotation des galaxies (et amas). En même temps ça me permet d'approfondir mes connaissances sur les 'problèmes' de nos jours. Après je vais traiter les sondes pionners, la constante cosmologique,...

Entre temps j'ai encore réussi de trouver ça :

http://www.imprimerie.polytechnique....03_1PhysPC.pdf
http://www-obs.cnrs-mrs.fr/interfero...ASP/chap5a.pdf

J'ai de quoi m'occuper avec tout ça. Si j'ai un doute, je demande.

[invited927d23c]

Resalut,

Petit résumé à compléter/rectifier :

En gros une galaxie est constituée de :

- Parfois un trou noir au centre
- Parfois un bulbe central qui contient la majorité de la matière
- La densité du disque (matière visible) diminue rapidement en s'éloignant du centre.
- Le milieu interstellaire est rempli de gaz (hydrogène,...)

Il y a bien sûr de très nombreuses autres caractéristiques (elliptique, spirales, irrégulière, barrée,...), mais qui influe moins sur le problème de la masse manquante.

Méthode pour mesurer la masse d'une galaxie

- Estimer la masse à partir de la luminosité
- À partir de la vitesse de rotation
- Oscillations perpendiculaires au plan de rotation
- Variation dans le rayon de fond cosmologique
- Les microlentilles gravitationnels

Méthode pour mesurer la vitesse de rotation

- Effet Doppler-Fizeau
- Méthodes 'trigonométrique' avec l'emplacement dans le ciel?

------------------------------------------------------

La masse déduite de la vitesse de rotation (théorème du Viriel), et quelles autres méthodes?, est beaucoup plus grande que la masse lumineuse. Si tous les calculs et mesures sont corrects, il y a une conclusion évidente : il y a de la matière invisible.

- Une modification de la loi de l'attraction gravitationnelle expliquant la vitesse de rotation des galaxies est contradictoire avec le mouvement des amas de galaxies.

- La matière noire est une solution 'logique', et qui laisse beaucoup de liberté pour rendre compte des observations

Mes questions/réflexions :

- Comment explique ton la répartition de la matière noire, nécessaire pour rendre compte du mouvement des objets célestes ?

- 'La' théorie du big bang donne tels de 'bons' résultats en prenant comte de la matière noire/ énergie noire? Je suppose que ça doit influer sur l'expansion,... ? La formation de la matière n'est-elle pas influencée par la présence de matière noire? N'interagit-elle pas avec la matière lumineuse?

- Pourquoi la matière noire ne s’est-elle pas agglomérée avec la matière lumineuse? Pourquoi n'y en a-t-il pas sur Terre, là autour de nous?

[Spéculation]
- Les sondes Pionner subissent une force qui s'oppose à leur mouvement, ne se pourrait-il pas qu'ils traversent un nuage de matière noire, ce qui créerait une force de frottement? De plus, un 'gaz' de matière noire n'aurait pas forcément une masse importante, et son potentiel gravitationnel serait négligeable. Et ça expliquerait pourquoi les autres objets du système solaire ne subissent pas cette force.
Mais peut-être y aurait un problème thermique dû aux frottements.
[/Spéculation]

J'ai été un peu long, et ce sont peut-être des questions avec pour réponse "pourquoi pas".

Merci pour vos réponses

[invite8c514936]

Pourquoi la matière noire ne s’est-elle pas agglomérée avec la matière lumineuse? Pourquoi n'y en a-t-il pas sur Terre, là autour de nous?

Il y en a peut-être, regarde ce dossier futura pour voir comment on espère l'attraper, et en fait c'est la matière qui s'est agglomérée là où il y avait beaucoup de matière noire.

'La' théorie du big bang donne tels de 'bons' résultats en prenant comte de la matière noire/ énergie noire? Je suppose que ça doit influer sur l'expansion,... ?

Oui, et non seulement la cosmologie donne de bons résultats avec la matière noire, mais elle en donne de mauvais sans. La cosmologie est même aujourd'hui considérée comme l'argument le plus fort en faveur de l'existence de la matière noire.

Toutes ces questions sont abordées en détail dans cet autre dossier futura et de manière plus détaillée ici.

[invited927d23c]

J'avais lu le dossier "Les secrets de la matière noire", mais en une dizaine de mois j'avais un peu oublié. J'ai eu pas mal de réponses. Et il faut donc la matière noire et l'énergie noire pour que la théorie du Big bang ce tienne!
Je vais encore lire celui sur les Wimps, et l'autre site.

Les deux passages (du dossier "Les secrets de la matière noire") suivants m'étonnent :

Si notre Galaxie est entourée d'un halo de matière noire sous forme de de particules, la Terre devrait être traversée en permanence par un flot de ces particules.

C'est un bon argument en faveur de ma spéculation, mais quoi en penser? Peut-on en déduire que la matière noire n'a réellement aucune interaction avec les ondes électromagnétiques ? Car sinon on devrait observer des modifications de la luminosité de certains astres.
La densité de la matière noire doit réellement être faible, car sinon on observerait des modifications du champ de gravitation?

Il devrait aussi y avoir une concentration de matière noire assez importante dans le Soleil et au cœur de la Terre, pour une raison différente : ces objets célestes peuvent capturer la matière noire ambiante dans leur champ de gravité.

On peut calculer de manière assez précise la masse du soleil et de la Terre à partir de l'orbite des planètes. Est-ce que ces masses sont en accord avec les estimations qu'on peut faire avec d'autres méthodes? Par exemple la quantité de matière lumineuse nécessaire pour que la fusion puisse avoir lieu dans le Soleil, et pendant la durée nécessaire. On connaît le rayon de la terre, si je calcule le volume ça me donne environ 10 puissances 24 litres, donc la densité moyenne est de ~6 Kg/L, est-ce que les géologues (ou je ne sais pas qui est le mieux placé) peuvent confirmer ça par des mesures directes?

[invite03f54461]

Et il faut donc la matière noire et l'énergie noire pour que la théorie du Big bang ce tienne!

Ben non, il faut de la matière noire pour que les galaxies gardent leur cohésion, qui n'a pas un rapport direct avec le Big Bang et le Big Bang est antérieur à l'invention de l'énergie noire.

[invite8c514936]

C'est un bon argument en faveur de ma spéculation, mais quoi en penser? Peut-on en déduire que la matière noire n'a réellement aucune interaction avec les ondes électromagnétiques ? Car sinon on devrait observer des modifications de la luminosité de certains astres.

Les particules neutres n'interagissent pas avec les ondes électromagnétiques... C'est le cas aussi des neutrinos, pas exemple.

La densité de la matière noire doit réellement être faible, car sinon on observerait des modifications du champ de gravitation?

Mais précisément, on observe une telle modification, à l'échelle des galaxies : c'est justement pour ça qu'on introduit la matière noire. Après, au niveau de la Terre l'effet de la matière noire est faible : sa densité de masse est faible, et sa densité est très homogène (son effet serait plus important si elle était très concentrée à l'intérieur de la Terre, par exemple.

[invitef7db6c52]

j'en revien a ce qu'a dit la première personne

-1) je ne mit connait pas trop en méca mais une chose est sure c'est qu'utiliser newton pour base de calcul c'est une grosse erreur (car il se base sur des calcul définie par le temp et non la vitesse et les accélération comme le suggére la théorie des corde)
deplus il faut prendre en compte les inter action des corps stellaire l'expention de l'univers, et les trous noir!!!!
agissant comme des aspirateur geant et des déformeur de temps et d'espace si l'on reste dans la relativitée et la méca. quantique a oui avez vous considéré le vide comme matière? car c'est une idée en court de recherche encore aujourd'hui!!!!!

[invite8c514936]

une chose est sure c'est qu'utiliser newton pour base de calcul c'est une grosse erreur

Non non, l'approximation newtonienne marche de façon excellente à l'échelle des galaxies. Il y a parfois des remous dans le milieu scientifique avec des gens qui trouvent que ce n'est pas le cas, mais pour le moment ça s'est toujours terminé en queue de poisson...

deplus il faut prendre en compte les inter action des corps stellaire l'expention de l'univers

Non non encore, l'expansion joue un rôle extrêmement faible à l'échelle des galaxies.

et les trous noir!!!!

Le trou noir central de notre Galaxie est pris en compte, et en fait on peut utiliser la mécanique newtonienne pour cela, tant qu'on n'est pas trop près du trou noir. Les trous noirs ne sont pas des aspirateurs, ce sont des objets qui attirent les autres par gravitation, comme notre Soleil attire les planètes (sans les absorber !), mais en plus fort.

[invite03f54461]

avez vous considéré le vide comme matière?

Le "vide" étant défini comme absence de matière, s'y a un truc, faut l'appeler autrement, sinon, ça déconne.

car c'est une idée en court de recherche encore aujourd'hui!!!!!

Ca s'appelait l'Ether, dans le temps, et ça a passé la date limite de consommation. Yen a plus en stock. Par contre, on a des arrivages sporadiques de Quintessence

[invited927d23c]

Ben non, il faut de la matière noire pour que les galaxies gardent leur cohésion, qui n'a pas un rapport direct avec le Big Bang et le Big Bang est antérieur à l'invention de l'énergie noire.

J'ai lu (dossier de FS) que la matière noire était nécessaire pour expliquer la formation des structures (galaxies, amas,...) dans l'univers dans le cadre de la théorie du Bigbang.

L'energie noire sert à expliquer l'expansion de l'univers si je ne me trompe pas? D'ailleur j'ai une question. On dit souvent que l'univers est très prés de sa densité critique, et que l'energie noire y contribue beaucoup (~70%). Mais comment l'energie noire (qui exerce une force répulsive sur la matière) peut-elle contribuer à la densité critique, alors qu'elle devrait plutôt faire le contraire? Moi j'imagine (pour avoir une représentation) que la matière courbe l'espace-temps dans une direction positive, et l'energie noire de manière négative. Mais bon, j'ai surement mal compris.

[invite8c514936]

L'energie noire sert à expliquer l'expansion de l'univers si je ne me trompe pas?

Pas tout à fait, elle explique le fait que l'expansion se fait de façon de plus en plus rapide (elle accélère). L'Univers s'expand (un peu) plus vite aujourd'hui qu'hier mais moins que demain.

Pour le reste, l'énergie noire et la matière courbent l'espace-temps de la même manière, mais contribuent de façon opposée à l'évolution du taux d'expansion au cours du temps (la matière la ralentit et l'énergie noire l'accélère).

[invite03f54461]

J'ai lu (dossier de FS) que la matière noire était nécessaire pour expliquer la formation des structures (galaxies, amas,...) dans l'univers dans le cadre de la théorie du Bigbang.

Bah, ce qui fait la structure d'une mousse, c'est pas tant la matière que la dilatation des bulles

[invite8c514936]

Si si, la matière noire joue un rôle primordial dans la formation des structures : la matière ordinaire interagit énormément avec les photons et doit attendre que l'Univers se soit bien recombiné (formation des premiers atomes), avant de pouvoir commencer à s'effondrer gravitationnellement. Du coup, il n'y a pas assez de temps entre la recombinaison et maintenant pour que les galaxies aient pu se former.

La matière noire vient nous sauver : si elle est constituée de particules neutres, celles-ci peuvent commencer à s'effondrer plus tôt, et préparent des jolis puits gravitationnels pour la matière, une fois que celle-ci daigne vouloir s'effondrer à son tour. Le coup de pouce laissee assez de temps aux galaxies pour se former...