Barre des galaxies spirales

[curiossss]

Bonjour,

Je me suis posé une question récemment concernant les barres des galaxies spirales : comment se fait-il que ces barres puissent exister ? Car elles semblent tourner en bloc, ce qui implique que la vitesse des étoiles qui les composent sont proportionnelles à la distance au centre de la galaxie (au milieu de la barre). Mais cela contredit la loi de gravitation de Newton : par exemple dans notre système solaire la vitesse des planètes n'est pas proportionnelle à la distance au soleil.

J'avais gardé en mémoire de mes lectures sur la théorie MOND le célèbre graphique que la loi de Newton est respectée jusqu'à une certaine distance, puis divergeait fortement (la vitesse des étoiles devenait plus ou moins constante à partir du point de divergence, au lieu de ralentir comme le prévoit la Loi de Newton.
Mais comme je viens de le dire à propos des barres, la loi de Newton n'est pas respectée non plus aux courtes distances. Alors où est l'erreur ? J'ai loupé quelque chose ?

Merci.

PS :
A moins que la densité de matière autour des barres est constante (une sphère centrale de densité proportionnelle à la distance au centre), et la barre étant la zone unique où des étoiles se sont allumées ?
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[curiossss]

Si l'explication de la vitesse de rotation de la barre centrale est effectivement du même type que pour les bras spirales (une onde de surdensité qui allume sur son passage des étoiles), sait-on expliquer la vitesse de cette onde ? A-t-on une formule pour la vitesse de ces ondes de surdensité comme on a pour la vitesse de la matière en orbite autour du centre de la galaxie ?

[physeb2]

Bonjour curiossss,

dans la compréhension théorique actuelle (peut être pas, disons au mois en 2010, car je ne lit pas ce qu'il se fait sur le sujet moi même) ce sont bient des ondes, même pour les barres.
Il faut étudier en particulier les raisonnances de Lindblad.

J'avais gardé en mémoire de mes lectures sur la théorie MOND le célèbre graphique que la loi de Newton est respectée jusqu'à une certaine distance, puis divergeait fortement (la vitesse des étoiles devenait plus ou moins constante à partir du point de divergence, au lieu de ralentir comme le prévoit la Loi de Newton.
Mais comme je viens de le dire à propos des barres, la loi de Newton n'est pas respectée non plus aux courtes distances. Alors où est l'erreur ? J'ai loupé quelque chose ?

En quoi as-tu expliqué que Newton ne fonctionne pas pour les barres? Tu ne peux pas comparer les lois de Kepler des orbites des planètes avec les raisonnances de Lindblad. La vitesse de rotation des étoiles n'est pas la vitesse de rotation de la barre. Tout comme les vitesses de rotations des étoiles ne correspond pas aux vitesses de rotation des bras spiraux.

Je t'invite a regarder un peu de ce côté : Toomre, Lindblad

Françoise Combes avait parlé de cela il y a quelques années dans un cours du collège de France que j'avais écouté en Podcast. Sinon il y a les livres, dans ce cas je recommande le Binney et Tremaine.

[TwoMoon]

Bonjour,

la formation et l'existence des barres dans les galaxies spirales présentent des défis a notre compréhension de la gravité et des lois de la physique.

Vous avez raison concerannt loi de gravitation de newton, elle stipule que la force gravitationnelle entre deux corps varie en inversement proportionnel à la distance qui les sépare. Ca veut dire que les étoiles plus éloignées devraient avoir des orbites plus lentes que celle plus proches du centre de la galaxie. Maintenant sans le cas des barres dans les galaxies spiralés,les étoiles semblent avoir des orbites plus rapides que prédit par la loi de newton en faite. C'est là où la théorie de la MOND dont vous parler peut entrer en jeu. Cette théorie propose une modification de cette loi à de très faibles accélérations qui permet de rendre compte de ces vitesses anormales observés dans les barres des galaxies spirale.

Par contre d'autres théories ont également été proposées pour expliqué ces barres sans nécessiter la modification de la loi de Newton. Par exemple (et ce n'en est qu'une) une théories est basée sur le fait que les barres des galaxies sont formées à partir de la redistribution de la matière à haute densité autour d'un centre de masse => avec cette hypothèse la barre est une structure stable dans laquelle la vitesse de rotation serait simplement une conséquence de la redistribution de la matière.

On peut dire que malgré les défis posés par les barres , il n'y a pas de consensus scientifique unifié sur la meilleure façon de les expliquer. Les deux théories mentionnées (MONd et redistribution de la matière) ont chacune leurs partisans et leurs arguments aussi mais il est probable que des observations et des analyses plus approfondies nous permettront de mieux comprendre ces structures fascinantes à l'avenir.

A suivre donc

Bàv

[A voir en vidéo sur Futura]

[curiossss]

En quoi as-tu expliqué que Newton ne fonctionne pas pour les barres? Tu ne peux pas comparer les lois de Kepler des orbites des planètes avec les raisonnances de Lindblad. La vitesse de rotation des étoiles n'est pas la vitesse de rotation de la barre. Tout comme les vitesses de rotations des étoiles ne correspond pas aux vitesses de rotation des bras spiraux.

J'avais 'expliqué' qu'une barre qui tourne en gardant sa forme de barre était composée d'étoiles qui tournaient à des vitesses proportionnelles à la distance au centre, comme un corps solide. Et juste après j'ai fait un PS en disant que peut-être ça se passe comme pour les bras, et la barre correspondrait à une onde de densité.

Mais depuis j'ai re-réfléchi et ça ne tient pas la route. La durée de vie d'une étoile est bien trop longue et l'onde de surdensité de la barre devrait laisser derrière elle une trainée d'étoiles allumées et cela d'autant plus que la vitesse de rotation de la barre est élevée.
Donc les étoiles qui composent la barre tournent effectivement avec elle (c.a.d. que la barre n'est pas composée d'étoiles qui s'allument en entrée de l'onde qui ferait la barre et s'éteignent en fin de vie à la sortie de l'onde).
Et je m'étonnais du comment c'était possible puisque d'après la loi de Newton la barre devrait se déformer aussi en spirale.
D'où ma question de la validité de la loi de gravitation de Newton sur de courtes distances.

Mais depuis j'ai me suis dit que la distribution de la matière dans la galaxie (densités variables) pouvait peut-être expliquer ce phénomène. Je suis curieux de savoir comment.

Françoise Combes avait parlé de cela il y a quelques années dans un cours du collège de France que j'avais écouté en Podcast.

Je viens de la voir sur Youtube : https://www.youtube.com/watch?v=VTNC20JT788
Mais il y a un paquet de vidéos, et une dizaine d'heures à visionner petit à petit...
J'espère entrevoir une lueur d'explication avec ces vidéos qui me semblent très complètes et intéressantes, car en l'état, je ne comprends pas comment la théorie MOND peut dire que la loi de Newton est respectée tant que l'intensité du champ gravitationnel est au dessus d'un seuil (puisque les barres semblent dire le contraire...)

En écrivant je viens de me poser un question :
C'est vrai que lorsqu'on s'approche du centre de la galaxie le solde net de toutes les influences gravitationnelles de toutes les étoiles composant la galaxie tend vers zéro (se compensent et s'annulent). Donc du point de vue de la théorie MOND au centre de la galaxie les conditions seraient réunies pour que les étoiles tournent plus vite que ne le prévoit Newton ?
Finalement, comment raisonne la théorie MOND ? C'est la distance aux étoiles qui compte, ou bien le solde net de toutes les gravités ressenties ?

[TwoMoon]

Si je peux me permettre de répondre car ça ne m'est pas adressé, a théorie MOND propose une modification de la loi de gravitation de newton pour les très faibles accélérations comme je l'ai dit. MOND explique que la force de gravité subie par un objet dépend à la fois de la valeur de la masse mais aussi de la façon dont cet masse est répartie dans l'Univers. Donc lorsque les accélérations sont très faible la force de gravité n'augmente plus proportionnellement à la distance. La théorie MOND suggère donc que la masse inertielle et la masse gravitationnelle peuvent être différente, et, que cela peut se manifester à travers des anomalires comme les vitesses anormales observées dans les barres des galaxies spirales.

Ce qui est important de remarquer c'est que la théorie MOND n'est pas une théorie complète de la gravité et qu'elle ne fait pas de prédictions précise sur de nombreux phénomènes observés dans l'univers. Les astronomes ont également des préoccupations quant à la façon dont MOND peut expliqué la formation des structures à grande échelle de l'univers. Des théories alternatives de la gravité comme celle de la gravitation quantique bouclée ( loop quantum gravity) on également été proposées pour expliqué les vitesses anormales observées dans les galaxies spirales mais ça nécessitent également une validation expérimentale plus approfondie.

MOND propose une modification de la loi de gravitation de newton pour les très faibles accélérations que l'on peut expliquer via certains phénomènes observés dans l'Univers mais elle reste une théorie controversée aujourd'hui car elle nécessite encore des étude et des observations supplémentaires pour etre confirmé ou réfuté.

[physeb2]

Bonjour TwoMoon,

peux-tu en dire un peu plus sur les soucis? Si je comprends bien, c'est la mesure des vitesses des étoiles dans les barres qui est en soit un problème. Donc finalement ce serait bien indépendant des théories de résonances que je mentionnait?

Une reformulation de ma question. Si on prend un profil de vitesse Keplerien pour les vitesses de rotation des étoiles dans la partie interne d'une galaxie spirale, est-il possible de former réellement une barre? Ou est-il nécessaire d'avoir un profil sub-keplerien pour la faire?

[TwoMoon]

peux-tu en dire un peu plus sur les soucis?

MOND nécessite une modification de la loi de gravitation de newton qui a été vérifié de manière vraiment empirique dans de nombreux cas.elle est donc considéré comme une alternative disons controversé à la physique conventionnelle. Elle a aussi des difficultés a expliquer la structure à grande échelle de l'univers (amas de galaxies et les grandes structures cosmique) Des théories alternatives comme la gravité quantique ou la matière noire semblent un peu mieux expliquer ces structures.

C'est aussi moins précis pour faire des predictions quantitative sur la structure et l'évolution des galaxies, surtout celles qui ont des formes particulières ou des barres. MOND a du mal à faire des prédictions précises sur les interactions entre les corps célestes tels que les effets de lentile gravitationnelle..

Mais bon la théorie MOND reste une théorie intéressante et mérite d'être exploré un peu plus. D'autres théories alternatives de la gravité ont également été proposées pour expliquer les anomalies observés dans la structure de l'univers etces débats et discussions sont en cours. il est donc fort possible que la théorie MOND ou d'autres alternatives de la gravité soient validés à travers des observations et des expériences dzns le futures

Une reformulation de ma question. Si on prend un profil de vitesse Keplerien pour les vitesses de rotation des étoiles dans la partie interne d'une galaxie spirale, est-il possible de former réellement une barre? Ou est-il nécessaire d'avoir un profil sub-keplerien pour la faire?

C'est possible que les vitesses de rotation des étoiles dans partie interne d'une galaxie spirale suivent un profil de vitesse keplerien et que la galaxie puisse tout de meme avoir une barre. les simulations numériques suggèrent par contre que les galaxies avec des profils de vitesse keplerien ont tendance à former des structures de disque circulaires plutôt que des barres alors que par contreil est plus probable que les galaxies avec des profils de vitesse sub-kepleriens soient plus susceptible de former des barres. C'est parce que ces profils de vitesse impliquent que les étoiles situés à des rayons plus éloigné du centre galactique tourneront plus lentement par rapport à ce que la loi de newton prévoit. La différence de vitesse crée une perturbation du champ gravitationnel de la galaxie qui peut être suffisante pour déclencher la formation d'une barre. Cette perturbation du champ gravitationnelle peut amené les étoiles à orbiter dans un même plan qui crée ainsi créant une barre...

Ceci dit les profils sub-keplerien sont considéré comme étant plus propices à la formation de barres. Ces formation des barres reste un domaine actif de recherche et les modèles théorique sont souvent améliorés avec de nouvelles données d'observation

[physeb2]

Merci TwoMoon,

oui pour la partie de formation des grandes structures c'est très compliqué pour MOND.

[TwoMoon]

Tu as raison, la principale difficulté de MOND à expliquer les grandes structures est qu'elle modifie la force gravitationnelle à de très faibles accélération (définies par a<a0 où a0 est une constante d'accélération très faible). La modif de la force entraîne des difficultés à expliqué pourquoi les grandes structures cosmiques tel que les amas de galaxies ont des interactions gravitatiinnelles aussi importantes car elles sont régies par des accélérations beaucoup plus faibles que la valeur critique de a0. Cette modif de la force de gravité introduite par MOND est inefficace a très grande échelle. MOND n'a pas non plus de candidats naturel pour expliquer les ondes gravitationnelles observées aujourd'hui contrairement à la matière noire. L'existence de la matière noire qui agit à travers la gravité a été proposé il y a plusieurs dizaine d'année pour expliquer les observations astrophysiques qui suggèrent la présence de matière invisible... Ces observations comprennent les vitesses anormale des étoiles dans les galaxies spirales ainsi que la distribition des masses à grande échelle dans l'univers.

MOND = théorie alternative intéressante à la matière noire, mais elle a des défis importants à relever pour expliquer la formation des grandes structures de l'univers

[physeb2]

MOND = théorie alternative intéressante à la matière noire, mais elle a des défis importants à relever pour expliquer la formation des grandes structures de l'univers

je dirai plutôt:
MOND = théorie alternative intéressante à la matière noire à l'échelle galactique, mais elle a des défis importants à relever pour expliquer la formation des grandes structures de l'univers