A propos de la relation entre masse, matière, énergie et matière noire.

[wouyou]

Bonjour, je me fais régulièrement une réflexion qui mérite une réponse de quelqu'un ayant une compétence en astrophysique, de préférence familier avec la relativité restreinte et générale.
Je ne demande pas un détail des calculs, je serais incapable de suivre des maths aussi avancées.

Je vais donc proposer ma réflexion, tout ce que je souhaite c'est savoir si dans le milieu universitaire, quelqu'un a deja eu cette reflexion et, en termes pédagogiques, quelles en sont les conclusions si c'est le cas ?
Evidement la réponse est peut-etre beaucoup plus simple que ce à quoi je m'attends, la question semblera peut-etre un peu stupide, mais comme disait ma grande-mere, "c'est les gens qui sont cons, pas les questions"

Maintenant que cela est clair :
Je pars du principe que les théories d'Einstein nous indiquent, grossièrement, que l'énergie et la matière sont "interchangeables", difficilement mais elles le sont.
Je comprends que de la masse manque dans les galaxies, à mon niveau, les raisons pour lesquelles la matière noire ou l'énergie noire sont proposées.
Je sais également que les étoiles, trous noirs, étoiles à neutrons, fusions entre certain(e)s ... produisent une grande quantité d'énergie sous les multiples formes de photons, rayons gammas, x, ondes gravitionnelles, neutrinos ...
Les distances étant particulièrement démesurées quand on touche à ces choses, je n'ose me demander quel est, en gros, le volume d'une galaxie ... En revanche je suppose que chaque parcelle de ce volume est occupée par toute cette énergie, photons, neutrinos, toutes choses produites en permanence et tellement énergétiques ...
Je pense donc qu'aussi massive puisse être une galaxie, si l'on considère l'énergie qui se balade partout et qu'on ne voit pas, car elle n'est pas encore arrivée ou car elle n'est pas émise dans notre direction. Une galaxie, si cette énergie venait à être estimée et convertie en masse serait encore plus massive. Peut-être assez pour expliquer certains mouvements sans recourir à la matière noire par exemple.
J'en suis donc venu a me poser la question suivante :
Et si ce n'était pas la matière, mais la masse qui courbe l'espace ? Peut-on raisonnablement imaginer que l'énergie d'un photon, cumulée à celle d'un autre ... de tous ceux émis par les étoiles au sein d'une galaxie, et aux autres sources d'énergie soit assez importante pour expliquer le comportement des galaxies et leurs étoiles sans recourir à la matière noire ?

Voilà, c'était ma question, j'ose espérer que c'est suffisamment clair, j'ai parfois du mal à formuler proprement ce genre de pensée. Je remercie tous ceux qui ont pris le temps de lire et remercie d'avance ceux qui sauront m'éclairer, ou simplement qui prendront le temps de répondre

PS : Désolé si je suis dans le mauvais forum, j'espère avoir posté au bon endroit
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[Gilgamesh]

Bonjour, je me fais régulièrement une réflexion qui mérite une réponse de quelqu'un ayant une compétence en astrophysique, de préférence familier avec la relativité restreinte et générale.
Je ne demande pas un détail des calculs, je serais incapable de suivre des maths aussi avancées.

Je vais donc proposer ma réflexion, tout ce que je souhaite c'est savoir si dans le milieu universitaire, quelqu'un a deja eu cette reflexion et, en termes pédagogiques, quelles en sont les conclusions si c'est le cas ?
Evidement la réponse est peut-etre beaucoup plus simple que ce à quoi je m'attends, la question semblera peut-etre un peu stupide, mais comme disait ma grande-mere, "c'est les gens qui sont cons, pas les questions"

Maintenant que cela est clair :
Je pars du principe que les théories d'Einstein nous indiquent, grossièrement, que l'énergie et la matière sont "interchangeables", difficilement mais elles le sont.
Je comprends que de la masse manque dans les galaxies, à mon niveau, les raisons pour lesquelles la matière noire ou l'énergie noire sont proposées.
Je sais également que les étoiles, trous noirs, étoiles à neutrons, fusions entre certain(e)s ... produisent une grande quantité d'énergie sous les multiples formes de photons, rayons gammas, x, ondes gravitionnelles, neutrinos ...
Les distances étant particulièrement démesurées quand on touche à ces choses, je n'ose me demander quel est, en gros, le volume d'une galaxie ... En revanche je suppose que chaque parcelle de ce volume est occupée par toute cette énergie, photons, neutrinos, toutes choses produites en permanence et tellement énergétiques ...
Je pense donc qu'aussi massive puisse être une galaxie, si l'on considère l'énergie qui se balade partout et qu'on ne voit pas, car elle n'est pas encore arrivée ou car elle n'est pas émise dans notre direction. Une galaxie, si cette énergie venait à être estimée et convertie en masse serait encore plus massive. Peut-être assez pour expliquer certains mouvements sans recourir à la matière noire par exemple.
J'en suis donc venu a me poser la question suivante :
Et si ce n'était pas la matière, mais la masse qui courbe l'espace ? Peut-on raisonnablement imaginer que l'énergie d'un photon, cumulée à celle d'un autre ... de tous ceux émis par les étoiles au sein d'une galaxie, et aux autres sources d'énergie soit assez importante pour expliquer le comportement des galaxies et leurs étoiles sans recourir à la matière noire ?

Voilà, c'était ma question, j'ose espérer que c'est suffisamment clair, j'ai parfois du mal à formuler proprement ce genre de pensée. Je remercie tous ceux qui ont pris le temps de lire et remercie d'avance ceux qui sauront m'éclairer, ou simplement qui prendront le temps de répondre

PS : Désolé si je suis dans le mauvais forum, j'espère avoir posté au bon endroit

Tu postes au bon endroit C'est une bonne question qui possède une réponse tout à fait claire.

Toute cette énergie circulant sous forme radiative porte le doux nom de DEBRA (Diffuse extragalactic background radiation).

Les membres de la famille sont :

en nW/m²/sr
CGB, le fond gamma          :    0,02
CXB, le fond X              :    0,3
CUVOB, le fond UV-optique   :   24 
CIB, le fond infrarouge     :   30
CMB, le fond micro-onde     : 1000
CRB, le fond radio          :    0,0006

source : Extragalactic Background Light and Cosmic Infrared Background d'Hervé Dole

Toutes les étoiles, tous les quasars, les supernovas, les pulsars, et en définitive, tous les processus lumineux concevables de l'univers, déversant des torrents de photons dans l'immensité depuis plus de 13 milliards d'années ne totalisent que ~5% du rayonnement circulant. Le fond micro-onde aka CMB domine totalement le game. Le CMB (cosmic microwave background), en jaune dans le graphique ci-dessous, est le rayonnement libéré par le plasma emplissant l'univers primordial, lorsque le milieu est devenu transparent, 360 ka après le début de l'expansion, donc vraiment très tôt dans l'âge de l'univers. Le CMB est le cri lumineux marquant la naissance du jeune univers. Le bébé avait du coffre L'échelle du graphique est logarithmique et écrase les contrastes, et en outre il donne une densité d'énergie par longueur d'onde : le CMB étant formé de photons peu énergétiques tout en étant le plus puissant des rayonnements de fond, il représente à lui tout seul l'écrasante majorité des photons de l'univers.

Tout ce rayonnement représente une densité moyenne de 0,25 eV/cm3 , soit à peine 1/10 000e de la densité d'énergie de l'univers qui est de l'ordre de 4,8 keV/cm3. On rappelle que la matière noire représente 20% du budget et la matière baryonique (gaz, étoile) 5% du total. La densité de rayonnement est donc négligeable dans le bilan total (à noter que c'était l'inverse dans l'univers jeune).

Il existe également un fond cosmologique de neutrinos le CνB (lire C-nu-B), un "cri" émis alors que l'univers avait 1 seconde à peine et une température de 10 GK. Il représente environ 70% de l'énergie du CMB. On peut également mentionner un fond de rayonnement cosmique (essentiellement des protons de haute énergie, accélérés au sein de phénomènes violents comme les supernovas ou les jets de pulsars), ça représente une luminosité additionnelle dans une galaxie comme la notre équivalent à l'addition de 25 millions d'étoiles : négligeable, là encore.

[wouyou]

Merci pour la réponse, ça éclaircit bien certains éléments surtout au regard de la matière noire. Mais techniquement, ça ne répond pas à ma question, le fait que la quantité d'énergie soit négligeable n'est pas pertinent quand au fond de la question qui serait plutôt : est-il possible que la matière ne soit pas seule à déformer l'espace ?
J'espère que cette formulation sera plus claire, néanmoins tu as levé quelques zones d'ombres donc merci encore

[yves95210]

Salut,

Dans les équations de la relativité générale la courbure de l'espace-temps n'a pas pour source "la matière", mais la densité d'énergie, quelle que soit la forme de cette énergie (masse de "la matière", rayonnement, énergie noire), ainsi que la pression (du rayonnement et de l'énergie noire).
Mais comme Gilgamesh l'a expliqué, dans l'univers récent, la densité d'énergie du rayonnement est tout à fait négligeable devant la densité d'énergie d'énergie due à la matière.
Et c'est bien parce que, si on se limite à la matière "visible" (électromagnétiquement), sa densité d'énergie est bien trop petite pour expliquer les phénomènes observés, à l'échelle des galaxies et des amas d'une part, à l'échelle cosmologique d'autre part, qu'on a inventé la matière noire et l'énergie noire (de pression négative pour expliquer l'accélération de l'expansion).
Sans connaître la nature physique de ces nouveaux ingrédients et sans avoir pu les mettre en évidence autrement que par leurs conséquences sur la courbure de l'espace-temps (la gravitation). Par exemple, jusqu'à présent on n'a jamais pu détecter les particules de matière noire prédites par tel ou tel modèle.

Soit la relativité générale est "fausse", ou du moins ne constitue qu'une approximation d'une théorie plus générale (comme la gravitation newtonnienne par rapport à la RG), soit ces ingrédients sont nécessaires(*). Aujourd'hui, dans la communauté scientifique, le consensus (très) majoritaire est en faveur de la deuxième hypothèse.

(*) En fait pour l'énergie noire c'est moins évident : la forme la plus générale de l'équation d'Einstein inclut un terme de courbure constant baptisé constante cosmologique, dont rien n'impose qu'il soit nul. La formulation avec constante cosmologique dans le membre de gauche de l'équation (courbure) est équivalente à la formulation avec énergie noire dans le membre de droite de l'équation (tenseur énergie-quantité de mouvement, qui regroupe les termes de densité d'énergie et de pression).
On a le droit de penser que la constante cosmologique est positive (que c'est une caractéristique de la gravitation), et dans ce cas on n'a pas besoin d'"expliquer" l'énergie noire.
Du moins tant que les observations sont compatibles avec une vraie constante cosmologique - ce qui n'est peut-être plus tout à fait le cas (conflit entre la valeur du taux d'expansion déterminée à partir des observations du CMB à l'aide du modèle standard et celle déterminée à partir des observations astronomiques dans l'univers récent), mais on n'en est pas sûr.

[A voir en vidéo sur Futura]

[wouyou]

Merci pour la réponse, très claire et qui semble indiquer que j'avais mal compris au départ puisque j'avais compris que la matière était seule responsable.
Sur le point de remettre en question la relativité ... on va pas se mentir que ce ne sera pas moi qui m'y risquerai . En revanche je trouve cela très positif de ne pas considérer absolument qu'elle ne peut que être vraie.
Ceci répond parfaitement à ma question, merci beaucoup.

Si je peux me permettre vos réponses ont abordé un sujet sur lequel j'ai une autre question, je pense qu'elle est assez pertinente pour ne pas créer un autre sujet,

En considérant les distances qui empêchent d'avoir la moindre information en direct au delà de la voie lactée, voire même pas à l'intérieur pour certaines zones.
En considérant que certaines théories proposent que l'univers rétrécisse une ou plusieurs fois au cours de son existence.
En considérant que les mouvements les plus proches indiquent que les galaxies s'approchent les unes des autres (andromède, groupe local...)
Peut-on être absolument sûrs que l'univers est à l'heure actuelle en expansion et non pas occupé à se refermer sur lui-même ?

Encore une fois merci d'avoir pris le temps de lire, et double merci à ceux qui pourront apporter une réponse

[Gilgamesh]

En considérant les distances qui empêchent d'avoir la moindre information en direct au delà de la voie lactée, voire même pas à l'intérieur pour certaines zones.

On observe bien plus loin que notre Voie Lactée.

Les seules régions de l'univers qu'on a pu étudier autrement que par l'analyse de leur lumière (au sens large, incluant l'ensemble du spectre électromagnétique) c'est la Lune, Mars, Vénus et Titan sur lesquels on a pu poser des sondes. A part ça qu'il s'agisse d'une surface planétaire, d'une étoile de notre galaxie, d'une supernova situé à des milliards d'année lumière, l'astronomie ça consiste à analyser (mesurer, décomposer, etc) la lumière des astres, y'a pas de différence entre ce qu'on mesure dans notre galaxie et dans les milliards d'autres qu'on observe.

En considérant que certaines théories proposent que l'univers rétrécisse une ou plusieurs fois au cours de son existence.

Tu parles des théories d'univers cyclique, style Big Bounce ?

En considérant que les mouvements les plus proches indiquent que les galaxies s'approchent les unes des autres (andromède, groupe local...)
Peut-on être absolument sûrs que l'univers est à l'heure actuelle en expansion et non pas occupé à se refermer sur lui-même ?

Oui, on a littéralement des millions de spectres de galaxies lointaines qui sont tous redshiftés.

[wouyou]

- En effet on observe plus loin que notre Voie Lactée, pardon pour l'imprécision; je voulais dire que nous observons des régions éloignées dans le temps au point qu'il me parait impossible de pouvoir être absolument certain de ce qu'elles font au moment ou j'écris ce message.
Pour moi si a une échelle relativement petite, groupe local par exemple on observe un rapprochement. Il ne me parait pas inconcevable que l'ensemble de l'univers soit en train de rétrécir mais que la lumière plus lointaine ne nous permette juste pas encore de l'observer car pas arrivée.

- Oui, un Big Bounce ou Big Crush me viennent à l'esprit quand je parle de cela.

- J'ai bien conscience du reshifting, je comprends les conclusions qui en découlent et font consensus; je pense que ma question porte seulement sur une conclusion possible qui n'est jamais explorée par les articles ou conférences de vulgarisation. Ou du moins, je n'ai pas eu l'opportunité de tomber sur le sujet.

Mon instinct me dit que je suis dans l'erreur mais en sciences l'intuition est rarement fiable, surtout en physique. D’où le fait que je préfère élaborer un peu.

[Gilgamesh]

Ci dessous tu as une cartes des radiosources extragalactiques sur la voûte céleste. Comme tu peux le voir, c'est extrêmement homogène, alors que ça concerne des sources extrêmement éloignées (des quasars, situés à des milliards d'années-lumière). On a des indices encore plus fort avec le CMB qui est homogène au cent-millième près. Donc on peut dire qu'en bonne approximation l'univers vérifie bien le principe cosmologique, qui dit que l'univers est homogène et isotrope.

Ensuite on prend ce milieu homogène et isotrope, et on lui applique les lois de la gravité. Il n'y a pas de solutions statiques : il est soit en expansion, soit en contraction. On mesure le spectre des sources éloignées : toutes les sources situées assez loin sont redshiftées => l'univers est en expansion et on peut mesurer ce taux d'expansion. Et une fois qu'on a le taux d'expansion et la densité en un point, on a la dynamique totale de l'univers (en chacun des ses points) avec les équations de Friedman.

source