Vitesse des étoiles en bordure des galaxies.

[curiossss]

On sait que la vitesse des étoiles est à peu près la même dans une large fraction des galaxies spirales, la plus externe.
Le théorie MOND a modifié la gravitation de Newton pour cadrer avec cette constatation. Mais c'est une formule ad-hoc, sans justification.

Mais n'est-il pas étrange que la courbe des vitesses soit à peu près plate (même vitesse des étoiles) ? Comme par hasard ? Si une cause provoque une modification de la Loi de Newton, le résultat aurait pu être légèrement ascendante, ou descendante, ou avoir une forme en courbe... Mais non : toutes les étoiles s'alignent peu ou prou sur la même vitesse.
Je me demande si ce n'est pas là un indice pour chercher la cause de cet effet...

Il y a-t-il de la littérature sur ce questionnement ? Des théories ?

Merci.
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[Deedee81]

Salut,

Non, ce n'est pas un hasard. Si la densité de matière noire est à peu près constante, c'est aussi le cas. Tu peux faire le calcul avec les chiffres connus (Newton suffit).

Notons que pour toutes les hypothèses possibles (MOND inclus) on pourrait voir cette vitesse constante comme étonnante. Donc il n'y a a priori aucun indice sur la nature de la matière noire de ce coté (sinon tu penses bien qu'on y aurait pensé, la courbe de vitesse fut d'ailleurs la première valeur relevée pour la matière noire, même si depuis on a énormément de données notamment avec les micro-lentilles). Les astrophysiciens ne sont pas stupides, en observant la courbe plate au début ça les a forcément fait tiquer !!!!

Et perso je pense toujours que la matière noire est un melting pot de pot de plusieurs choses complètement indépendantes (sous l'idée qu'il faut être prétentieux comme un pou pour croire qu'il ne reste plus que deux choses à découvrir : la matière et l'énergie noire. Le monde est toujours plus complexe qu'on ne croit et pleins de choses restent à découvrir). Un peu de TN intermédiaires, un peu de neutrinos, un peu de gaz totalement ionisé, un peu de particules exotiques et peut-être une gravité modifiée. Peut-être le tout.

[yves95210]

Salut,

On sait que la vitesse des étoiles est à peu près la même dans une large fraction des galaxies spirales, la plus externe.
Le théorie MOND a modifié la gravitation de Newton pour cadrer avec cette constatation. Mais c'est une formule ad-hoc, sans justification.

Mais n'est-il pas étrange que la courbe des vitesses soit à peu près plate (même vitesse des étoiles) ? Comme par hasard ? Si une cause provoque une modification de la Loi de Newton, le résultat aurait pu être légèrement ascendante, ou descendante, ou avoir une forme en courbe... Mais non : toutes les étoiles s'alignent peu ou prou sur la même vitesse.

On a l'habitude de parler des galaxies pour lesquelles cette courbe s'aplatit, car c'est le cas le plus frappant (visuellement). Mais il y a toute une variété de galaxies, présentant des courbes de rotation de diverses formes mais avec un point commun :
on ne sait pas expliquer la forme de ces courbes à partir de la gravitation newtonienne et de la masse de matière baryonique observée. Alors que pour toutes ces galaxies, à des distances de leur centre suffisantes pour que l'accélération gravitationnelle newtonienne g_n soit très inférieure à une valeur a₀, l'accélération radiale déduite des vitesses de rotation observées prend la valeur g_obs=√(a₀g_n).

Cela ne conduit à une vitesse de rotation identique (indépendante de R pour R assez grand) que si la masse de matière baryonique M_b de la galaxie est assez concentrée vers le centre pour que g_n ~ GM_b/R².

Je me demande si ce n'est pas là un indice pour chercher la cause de cet effet...

Evidemment. A condition de prendre cet effet au sérieux et de ne pas se contenter de penser qu'il est prédit par les modèles avec matière noire. Ce qui est faux, dans la mesure où, certes, il "suffit" d'ajouter une masse invisible répartie convenablement (avec le bon profil de densité) pour obtenir au total une accélération gravitationnelle correspondant à l'accélération radiale observée; mais aucune théorie ne permet de justifier ce profil, voire même, il n'est pas compatible avec les caractéristiques de la matière noire requises par d'autres observations.

Il y a-t-il de la littérature sur ce questionnement ? Des théories ?

Oui, bien sûr.

Plein de papiers essayant d'expliquer cet effet dans le cadre du paradigme de la matière noire froide, par des mécanismes de feedback permettant d'adapter le profil de densité de la matière noire au profil de densité de la matière baryonique de manière à reproduire la relation MOND - ce qui demande évidemment un ajustement ad hoc galaxie par galaxie, permettant d'expliquer les observations a posteriori, mais sans aucun pouvoir prédictif.

Sur le plan théorique, il y a

- des tentatives d'élaborer des modèles de matière noire "exotiques" permettant de coller naturellement aux observations (comme la matière noire superfluide).

- des tentatives d'élaborer une théorie relativiste de la gravitation conduisant à la relation MOND aux faibles accélérations (comme la relativité générale conduit par approximation à la gravitation newtonienne dans son domaine de validité). En général ces théories nécessitent d'introduire un (des) champ(s) supplémentaire(s) comme source de gravitation.
Plusieurs de ces théories ont été réfutées, soit parce qu'elles étaient incapables d'expliquer les observations du CMB (de prédire l'amplitude des pics de son spectre de puissance), soit parce qu'elles conduisaient à une vitesse de propagation des ondes gravitationnelles différente de c (alors que depuis les observations d'OG pour lesquelles on a pu observer une contrepartie électromagnétique ont permis de confirmer que la vitesse de propagation des deux types d'ondes est identique : leur détection n'est pas décalée de plus d'une poignée de secondes alors qu'elles ont mis plusieurs centaines de millions ou plusieurs milliards d'années à nous parvenir depuis l'événement qui en a causé l'émission).

Plus récemment une nouvelle théorie de ce genre, mais ne présentant pas les défauts ci-dessus, a été publiée. C'est prometteur, mais il faut encore qu'elle soit testée vis-à-vis de tous les types d'observations (à toutes les échelles) expliquées dans le cadre du modèle standard par la présence d'une masse de matière noire. Donc il y a encore du boulot.
Mais même si elle passe l'ensemble des tests observationnels, une telle théorie ne serait pour le moment qu'une preuve qu'il est possible d'élaborer une théorie relativiste de la gravitation reproduisant la relation MOND, et ne serait pas "la" théorie fondamentale recherchée : il faudrait pour cela qu'elle ait son pendant dans le cadre de la théorie des champs quantiques, puisqu'elle nécessite l'introduction d'un champ aux propriétés particulières, sans autre justification que sa capacité à expliquer les observations astronomiques aux grandes échelles (galactique et au-delà).
Donc la confirmation de la validité de cette théorie donnerait au mieux un indice sur la nature de ce qu'on doit rechercher ("la cause de cet effet", comme tu disais).

[Deedee81]

Salut,

Ah merci de tes précisions. En particulier :

On a l'habitude de parler des galaxies pour lesquelles cette courbe s'aplatit, car c'est le cas le plus frappant (visuellement). Mais il y a toute une variété de galaxies, présentant des courbes de rotation de diverses formes

Ca je ne savais pas. N'ayant pas trop creusé le sujet, la courbe habituelle qu'on voit est toujours celle avec le plateau. Me suis fait avoir
Pourtant en tapant "courbes de rotation des galaxies" dans google image je l'aurais vite vu. Je n'ai aucune excuse.

[A voir en vidéo sur Futura]

[yves95210]

Quant à ça,

Et perso je pense toujours que la matière noire est un melting pot de plusieurs choses complètement indépendantes (...). Un peu de TN intermédiaires, un peu de neutrinos, un peu de gaz totalement ionisé, un peu de particules exotiques et peut-être une gravité modifiée. Peut-être le tout.

ça m'étonnerait fort qu'un melting pot de ce genre, avec des contributions probablement très différentes d'une galaxie à une autre, réussisse à "conspirer" pour produire une accélération radiale g_obs=√(a₀g_n) (quand g_n≪a₀) vérifiée de manière systématique de toutes les galaxies (indépendamment de leur type, de leur masse et de leur taille), avec une valeur de a₀ constante, indépendante des caractéristiques de la galaxie étudiée.

De même, ça m'étonnerait qu'il soit capable d'expliquer les observations du spectre de densité du CMB (et les amplitudes relatives des différents pics de ce spectre) qui, dans le cadre du modèle LambdaCDM, nécessitent une densité de matière noire fortement contrainte - et par la même occasion une densité de matière baryonique tout aussi contrainte(⁽¹⁾ (et c'est bien cette matière baryonique qui serait à l'origine de la masse des TN ou du gaz ionisé dont tu parles). Reste à la rigueur les TN primordiaux, pas totalement exclus (et qui, eux, étaient déjà "noirs" à l'époque de l'émission du CMB) - et bien sûr tout ce qu'on peut inventer comme "particules exotiques"...

(1) Accessoirement, contrairement à ce que raconte la légende, il s'agit de contraintes ad hoc introduites a posteriori pour expliquer ces observations, qui n'étaient pas prédites (quantitativement) par le modèle de matière noire froide auparavant (même l'amplitude du deuxième pic du CMB avant qu'elle soit mesurée précisément, alors qu'elle avait été prédite correctement à l'aide d'un modèle sans matière noire - et donc se rapprochant de MOND - dans une publication de S. McGaugh). Cf. la façon dont McGaugh raconte cette histoire (avec des liens vers les publications concernées).

[Deedee81]

ça m'étonnerait fort qu'un melting pot de ce genre, avec des contributions probablement très différentes d'une galaxie à une autre, réussisse à "conspirer" pour produire une accélération radiale g_obs=√(a₀g_n) (quand g_n≪a₀) vérifiée de manière systématique de toutes les galaxies (indépendamment de leur type, de leur masse et de leur taille), avec une valeur de a₀ constante, indépendante des caractéristiques de la galaxie étudiée.

Ah oui bien vu, c'est une contrainte plutôt forte ça.

[curiossss]

Merci Yves. C'est exactement le complément d'informations qui me manquait.

Je dois préciser que je me plaçais dans le cadre des galaxies spirales de même taille et ancienneté que la nôtre (désolé je ne l'avais pas précisé) : est-ce qu'il y a des exemples de galaxies semblables à la nôtre et présentant une courbe non aplatie ?

J'avais lu le cas d'une galaxie très vieille avec peu d'étoiles encore actives dont les vitesses de ses étoiles pouvaient s'expliquer avec la Loi de gravitation de Newton uniquement (ce qui pose problème aux tenants de la matière noire car il faudrait alors expliquer où est-elle passée à moins qu'elle n'ai jamais été là pour cette galaxie et là aussi faudrait l'expliquer). Mais je crois me souvenir que c'était une galaxie irrégulière.

La nouvelle théorie dont tu parles postule que la gravité aurait deux composantes c'est ça ? La première composante serait la Loi de gravitation de Newton classique, et la seconde une loi décroissante commençant avec une amplitude très faible mais décroissant plus lentement avec la distance (grosso modo 1/d au lieu de 1/d^2) ce qui fait qu'aux longues distances la seconde composante deviendrait prédominante ? C'est bien comme ça que je m'étais représenté la théorie MOND.
(Mais alors dans le cas de la galaxie irrégulière citée plus haut cette seconde composante est absente et il faut expliquer pourquoi.)
Tu as un lien pointant vers cette étude ?

Ne croyant pas du tout à la matière noire (c'est juste une opinion personnelle mais qui explique mes questions) et croyant que la théorie MOND pointe sur une double composante dans la gravité totale subie par les étoiles, j'étais curieux de savoir s'il y avait des théories évoquant de possibles causes à la seconde composante de la gravité (et non pas juste ajouter un nouveau champ qui va bien pour coller aux observations).
La relation de Tully-Fisher indique pour les galaxies spirales une corrélation de la vitesse des étoiles d'une galaxie avec la masse totale de la galaxie (étoiles + poussières et gaz), ce qui pourrait être un indice important dans la recherche de la cause de la seconde composante (l'explication à base de matière noire impliquerait une stricte corrélation entre quantité de matière ordinaire et matière noire dans les galaxies spirales et il faudrait alors expliquer pourquoi).

[yves95210]

La nouvelle théorie dont tu parles postule que la gravité aurait deux composantes c'est ça ? La première composante serait la Loi de gravitation de Newton classique, et la seconde une loi décroissante commençant avec une amplitude très faible mais décroissant plus lentement avec la distance (grosso modo 1/d au lieu de 1/d^2) ce qui fait qu'aux longues distances la seconde composante deviendrait prédominante ? C'est bien comme ça que je m'étais représenté la théorie MOND.

C'est un peu plus compliqué que ça... (la réf : https://arxiv.org/abs/2007.00082)

Ton idée aurait bien peu de chances de marcher (il faudrait qu'elle produise une accélération égale à la moyenne géométrique des accélérations dues aux deux composantes).

Ne croyant pas du tout à la matière noire (c'est juste une opinion personnelle mais qui explique mes questions) et croyant que la théorie MOND pointe sur une double composante dans la gravité totale subie par les étoiles, j'étais curieux de savoir s'il y avait des théories évoquant de possibles causes à la seconde composante de la gravité (et non pas juste ajouter un nouveau champ qui va bien pour coller aux observations).

D'une façon ou d'une autre, ça reviendra toujours à "ajouter un nouveau champ qui va bien". Ton idée ne marche pas (cf. ci-dessus) parce que pour conduire à la relation MOND on a besoin d'un couplage entre les deux champs.

La relation de Tully-Fisher indique pour les galaxies spirales une corrélation de la vitesse des étoiles d'une galaxie avec la masse totale de la galaxie (étoiles + poussières et gaz), ce qui pourrait être un indice important dans la recherche de la cause de la seconde composante (l'explication à base de matière noire impliquerait une stricte corrélation entre quantité de matière ordinaire et matière noire dans les galaxies spirales et il faudrait alors expliquer pourquoi).

ça revient à ce que j'ai dit dans mon premier message. En fait la relation de Tully-Fisher et la relation MOND ne sont que les deux faces de la même pièce (et les deux sont universelles). Mais dans les deux cas il s'agit de faits établis expérimentalement - ou plutôt observationnellement - et que la théorie se doit d'expliquer. Or l'universalité de ces relations (le fait que a₀ soit indépendant de la galaxie étudiée) ne permet pas d'espérer les expliquer par un "simple" ajustement des paramètres du modèle de matière noire froide, galaxie par galaxie.

[yves95210]

PS : dans un autre ordre d'idée, il y a aussi la théorie, élaborée par un physicien (Alexandre Deur) dont la spécialité première est la physique des particules et l'interaction forte (ou la chromodynamique quantique), et qui repose sur l'hypothèse d'une "self-interaction" du champ gravitationnel de la RG, à laquelle il applique les techniques issues de son domaine. Ci-dessous les liens vers deux de ses publications, et leurs abstracts :

https://arxiv.org/abs/0901.4005

Our present understanding of the universe requires the existence of dark matter and dark energy. We describe here a natural mechanism that could make exotic dark matter and possibly dark energy unnecessary. Graviton-graviton interactions increase the gravitational binding of matter. This increase, for large massive systems such as galaxies, may be large enough to make exotic dark matter superfluous. Within a weak field approximation we compute the effect on the rotation curves of galaxies and find the correct magnitude and distribution without need for arbitrary parameters or additional exotic particles. The Tully-Fisher relation also emerges naturally from this framework. The computations are further applied to galaxy clusters.

https://arxiv.org/abs/1709.02481

Analyses of internal galaxy and cluster dynamics typically employ Newton's law of gravity, which neglects the field self-interaction effects of General Relativity. This may be why dark matter seems necessary. The Universe evolution, on the other hand, is treated with the full theory, General Relativity. However, the approximations of isotropy and homogeneity, normally used to derive and solve the Universe evolution equations, effectively suppress General Relativity's field self-interaction effects and this may introduce the need for dark energy. Calculations have shown that field self-interaction increases the binding of matter inside massive systems, which may account for galaxy and cluster dynamics without invoking dark matter. In turn, energy conservation dictates that the increased binding must be balanced by an effectively decreased gravitational interaction outside the massive system. In this article, such suppression is estimated and its consequence for the Universe's evolution is discussed. Observations are reproduced without need for dark energy.

Je ne sais pas trop quoi en penser, car ça dépasse largement mes maigres compétences. Mais ça devrait intéresser Deedee.

@Deedee : si tu as le temps de t'y pencher, ça m'intéresserait d'avoir ton avis de "physicien quantique"...
Au moins pour comprendre pourquoi les travaux de A. Deur restent ignorés par la quasi-totalité (?) des spécialistes de la relativité générale.
Trop spéculatif ? En tout cas, vu son CV et la liste de ses publications (dans son domaine d'origine), Deur n'a pas l'air d'être un mickey.

[Deedee81]

Intéressant mais ça reste spéculatif (mais ça mériterait une lecture plus approfondie).

[curiossss]

C'est un peu plus compliqué que ça... (la réf : https://arxiv.org/abs/2007.00082)

Ton idée aurait bien peu de chances de marcher (il faudrait qu'elle produise une accélération égale à la moyenne géométrique des accélérations dues aux deux composantes).

Pas forcément.
Lorsque que la première composante (la gravité de Newton) est majoritaire elle l'est de plusieurs ordres de grandeur donc c'est comme si la seconde composante n'existait pas. Et lorsque la seconde composante devient majoritaire elle l'est aussi de plusieurs ordres de grandeur. Ce n'est que dans une étroite bande de distances au centre de la galaxie où les deux composantes ont une contribution du même ordre de grandeur, mais si cette plage de distances est suffisamment étroite elle passerait inaperçue car ne concernant qu'un petit pourcentage d'étoiles, et ceci d'autant plus que tout écart local avec la courbe de vitesses théorique pourrait être attribuée à une imprécision des mesures, ou à une concentration locale de matière différente de la valeur espérée (après tout la distribution de matière au sein des galaxies n'est pas uniforme et continue).
Il n'y a pas vraiment besoin de couplage entre les deux composantes.

D'une façon ou d'une autre, ça reviendra toujours à "ajouter un nouveau champ qui va bien". Ton idée ne marche pas (cf. ci-dessus) parce que pour conduire à la relation MOND on a besoin d'un couplage entre les deux champs.

Un nouveau champ oui : mais de préférence un champ ayant une origine et vérifié dans un autre domaine de la Physique, indépendant du problème des vitesses des étoiles en bordure des galaxies, mais qui appliqué au problème des vitesses fournirait une explication.
Par contre un nouveau champ qui va bien créé ad hoc ne serait pas très satisfaisant (tout en restant une possibilité bien entendu) parce qu'on remplacerait le pourquoi ces vitesses par un pourquoi ce nouveau champ... (et puis pour expliquer ce nouveau champ ad hoc on imaginerait une matière exotique ad hoc et hop on remplacerait encore une fois un pourquoi par un autre pourquoi...)
L'hypothèse d'une auto-interaction entre les champs gravitationnels est intéressante. J'ai un peu de mal à visualiser comment, en dépendant du champ gravitationnel 'standard' qui s'amoindrit avec la distance au centre, cette auto-interaction peut expliquer le plateau des vitesses. A vérifier numériquement...

ça revient à ce que j'ai dit dans mon premier message. En fait la relation de Tully-Fisher et la relation MOND ne sont que les deux faces de la même pièce (et les deux sont universelles). Mais dans les deux cas il s'agit de faits établis expérimentalement par observation directe que la théorie se doit d'expliquer. Or l'universalité de ces relations (le fait que a₀ soit indépendant de la galaxie étudiée) ne permet pas d'espérer les expliquer par un "simple" ajustement des paramètres du modèle de matière noire froide, galaxie par galaxie.

La relation Tully-Fisher semble indiquer clairement qu'il n'y a pas de matière exotique à ajouter à la réflexion et il faut espérer que ce soit effectivement le cas : la théorie de la matière noire peine à expliquer toutes les observations sauf à postuler librement au cas par cas la bonne quantité de matière noire.
Mais la théorie MOND a aussi ses difficultés propres !
Il doit bien y avoir quelque part quelque-chose qui nous échappe..

Merci pour la littérature supplémentaire que tu as fourni

Si quelqu'un en a d'autres elles seront les bienvenues aussi !

[samydread]

Bonjour,

en voyant une toute nouvelle image de galaxie bien enroulée faite avec le JWST, j'ai été frappé par la ressemblance avec un ouragan ou un cyclone.

Pour les tourbillons, les vitesses près du centre sont en r, et loin du centre en 1/r.

Du coup je me demandais jusqu'à quel point peut-on ou pas considérer une galaxie comme un fluide et appliquer certaines lois de la mécanique des fluides en plus de la gravité ?

c'est quand même étonnant d'avoir des allures si semblables avec des lois totalement différentes

[yves95210]

Bonjour,

Du coup je me demandais jusqu'à quel point peut-on ou pas considérer une galaxie comme un fluide et appliquer certaines lois de la mécanique des fluides en plus de la gravité ?

Manifestement tu n'es pas le seul à avoir eu cette idée.
Tape "mécanique des fluides galaxies" ou "galaxy hydrodynamics" dans ton moteur de recherche préféré, ça remonte plein de liens (que je n'ai pas lus).

[samydread]

merci, j'irai y faire un tour mais je dois bien avouer que la mécanique des fluides ne m'attire pas beaucoup!

[trebor]

Bonjour,

en voyant une toute nouvelle image de galaxie bien enroulée faite avec le JWST, j'ai été frappé par la ressemblance avec un ouragan ou un cyclone.

Pour les tourbillons, les vitesses près du centre sont en r, et loin du centre en 1/r.

Du coup je me demandais jusqu'à quel point peut-on ou pas considérer une galaxie comme un fluide et appliquer certaines lois de la mécanique des fluides en plus de la gravité ?

c'est quand même étonnant d'avoir des allures si semblables avec des lois totalement différentes

Bonjour,
Une vidéo qui parle de leur rotation, surtout pour les géantes spirales :
https://www.google.com/search?q=%C3%...id:ytEbPcUY2DI