La matière noire

[Acoas]

Bonjour tout le monde,

Je me permet de créer ce sujet car un de nos camarade s'est permis de faire un léger hors sujet auquel je n'avais rien compris mais qui a piqué ma curiosité.

Voici donc le message de Bongo (pour ne pas le nommer) qu'il a casé entre un message sur les extraterrestres et les ours sauvage d'Ile de France ;)

"Observations factuelles :
- Fluctuations de température du fond de rayonnement fossile (Cosmologic Microwave Background CMB pour les intimes) : 1e-5 (1 exposant -5, ça veut dire 10^(-5) = 1/ 100 000), amplitudes insuffisantes pour expliquer la dynamique de formation des galaxies et les structures actuelles (on observe des quasars et galaxies à plus de 12 milliards d’années-lumière, ça implique une formation en moins d’un milliard d’année… 1e-5 c’est clairement insuffisant) Donc il y a besoin d’un accélérateur (la matière noire)  les modèles montrent qu’avec 4-5 fois plus de matière noire, on rend compte des observations.

- Courbe de rotation des galaxies : ou bien il faut modifier la dynamique newtonienne, et donc la Relativité Génarale (RG pour les intimes), ou bien… il y a de la matière que l’on ne voit pas (pourquoi on verrait tout ?), pareil, le chiffre est entre 4 et 5 fois plus de matière noire que de matière normale.

- Nucléosynthèse primordiale : on observe un taux d’éléments légers [Hélium, Lithium, Bérylium, Bore (He, Li, Be, B)] dont le taux ne s’explique pas par la nucléosynthèse stellaire, donc c’est forcément d’origine primordiale. Le taux de deutérium, d’hélium 3, Lithium 7 est très sensible à la densité de baryon (les baryons sont les particules sensibles à l'interaction forte composés de 3 quarks, le proton et le neutron sont des baryons). Aujourd’hui la meilleure valeur est 1e-31 g/cm^3 (si ma mémoire est bonne), ce qui correspond à seulement 5% de la densité totale, sachant que la matière visible représente 0.5% de la densité totale.

- Bilan : ça veut dire que la matière visible (sous forme ionisée, ou rayonnant dans les différentes longueurs d’onde) vaut 0.5% du total.
Les indices de recensement etc… nous disent que la matière ordinaire dite baryonique représente 10 fois ce total (seulement 5%). (compatible avec la hauteur du 2ème et 3ème pic du spectre de puissance dans le rayonnement fossile).

Là où c’est très fort, c’est que l’on fait plusieurs observations dans des domaines assez indépendants, mais qui nous suggèrent très très fortement la même quantité de matière noire.

Il doit y avoir de la matière non baryonique (dont la nature nous échappe, c’est un peu ce qu’on attend au Large Hadron Collider (LHC, l'accélérateur de particules qui a découvert le boson de Higgs, pas loin de Genève à partir de l’année prochaine quand il tournera à 14 TeV) représente 5 fois le total. (le Tera électron Volt [TeV] est une unité d'énergie, l'électron-volt est l'énergie qu'acquiert un électron lorsqu'il est accéléré sous une différence de potentiel de 1 volt, le préfixe tera comme tera octet, c'est 1e12, c'est à dire 1000 milliards).
Et la cerise sur le gâteau, c’est l’observation de l’accélération de l’expansion, et l’observation de la courbure spatiale de l’univers (compatible avec la position du 1er pic dans le spectre de puissance), qui représente 70%.

Donc non seulement on n'est pas au centre du monde, mais en plus, la matière dont on est fait n'est même pas la composante principale de l'univers. Ca va un peu finir d'achever la révolution copernicienne (ou bien on se goure mais complètement, ça serait vachement excitant).
La difficulté est que l'absence d'observation au LHC ne permet pas de tuer l'hypothèse de la matière noire. »

Question N°1 : Les Galaxies et Quasars que l’on observe à près de 12mal, sachant que le bigbang s’est produit il y a 13,78 milliards d’années, nous montre juste qu’elles ont mis près de 13,78 m.a. pour parcourir 12m.a.l. ; J’en déduis donc que l’univers s’étend à une vitesse de l’ordre de 0,87 m.a.l. par milliard d’année. Mais comme je fais sûrement erreur je vais te poser la question suivante, peux-tu me donner la vitesse de l’extension de notre univers ? Quel est la théorie qui permet de dire que les galaxies ont mis moins d'1m.a. pour se former ?

Question N°2 : (attention technique) Comment les fluctuations de température du rayonnement fossile peuvent avoir un rapport avec la dynamique de formation des galaxies ? Plus l’amplitude est élevé plus il y a matière à « produire de la dynamique » ?

Question N°3 : Est-il possible de nous expliquer qu’est-ce-qui cloche avec les courbes de rotation des galaxies ?

Le reste me semble clair. (premier point positif )

[bongo]

Très bonne initiative 

Question N°1 : Les Galaxies et Quasars que l’on observe à près de 12mal, sachant que le bigbang s’est produit il y a 13,78 milliards d’années, nous montre juste qu’elles ont mis près de 13,78 m.a. pour parcourir 12m.a.l. ; J’en déduis donc que l’univers s’étend à une vitesse de l’ordre de 0,87 m.a.l. par milliard d’année. Mais comme je fais sûrement erreur je vais te poser la question suivante, peux-tu me donner la vitesse de l’extension de notre univers ? Quel est la théorie qui permet de dire que les galaxies ont mis moins d'1m.a. pour se former ?

Tout d’abord un petit rappel, l’expansion de l’univers a été découverte par Hubble en 1929 en observant le décalage spectral (le redshift, mais ce n’est pas lui qui l’a découvert, mais Slipher), Hubble a pu distinguer des Céphéides (c’est un type d’étoile variable dont la luminosité intrinsèque est liée à la période de variation). Donc Hubble a relié le redshift à la distance des galaxies et a vu que c’était proportionnel (le redshift étant en première approximation proportionnel à la vitesse de récession).

Donc la loi de Hubble dit :
V = H0 x d
V étant la vitesse de récession, H0 la constante de Hubble 70 km/s / Mpc et d la distance en méga parsec.
1 Mega parsec c’est 3.26 millions d’années lumière. Ca veut dire qu’une galaxie distance de 1 Mpc s’éloigne de nous à 70 km/s, une galaxie 10 fois plus proche 7 km/s, une galaxie 100 fois plus loin 7 000 km/s.

Donc comme tu vois, il n’y a pas de vitesse d’extension de l’univers, c’est un peu plus subtile.
Il n’y a pas de théorie qui dise que les galaxies ont mis moins d’un milliard d’années à se former. C’est une observation expérimentale : on voit des galaxies à une certaine distance, ceci montre que moins d’un milliard d’années après le big bang, il y avait déjà des galaxies déjà formées. Ensuite il faut que les modèles puissent reproduire cela.

Question N°2 : (attention technique) Comment les fluctuations de température du rayonnement fossile peuvent avoir un rapport avec la dynamique de formation des galaxies ? Plus l’amplitude est élevé plus il y a matière à « produire de la dynamique » ?

Les fluctuations de température sont directement reliées à la densité de matière. En effet, une région plus froide (en bleu sur la cartographie de WMAP) est une région plus dense (étant plus chaude, mais subissant un redshift, cette région émet une lumière plus froide).

Es-tu d’accord que si tout était homogène, il serait impossible de créer des galaxies et étoiles ? étant donné qu’il n’y a aucune direction vers laquelle la matière pourrait se condenser. Il faut impérativement des grumeaux.
Plus les grumeaux de départ sont petits, plus lentement les structures à grande échelle se créent (la gravitation étant accumulative).

Question N°3 : Est-il possible de nous expliquer qu’est-ce-qui cloche avec les courbes de rotation des galaxies ?

Quand tu observes la vitesse de rotation des galaxies :

En fonction de la distribution de matière, tu sais calculer la courbe théorique de vitesse de rotation (courbe A).
Cependant cette courbe théorique ne correspond pas à la courbe mesurée (courbe B), la vitesse de rotation des galaxies augmentent du centre de la galaxie vers l’extérieur. Cependant cette courbe ne redescend pas. C’est pourquoi les physiciens proposent, pour expliquer cette courbe, qu’il n’y a de la masse supplémentaire que l’on ne voit pas.

[Acoas]

Tu aurais fait un super prof ;)

Ce qui me parait curieux c'est la loi Hubble.
Exemple :
Si je suis sur la galaxie "A"
- La galaxie "B" est a une distance de 1mpc de "A"
- La galaxie "C" est a une distance de 1.5mpc de "A" et 0.5mpc de "B"
On obtient donc les vitesses de récession suivante :
- Galaxie "B" = 70km/s
- Galaxie "C" = 105km/s

Si je suis sur la galaxie "B"
On obtient les vitesses de récession suivante :
- La galaxie "A" = 70km/s
- La galaxie "C" = 35km/s

Si mon résonnement est bon, la loi Hubble n'est pas trop cohérente.
Mais comme mon résonnement est sûrement faux...

Je comprend vite mais ils faut m'expliquer longtemps

[bongo]

Tu aurais fait un super prof ;)

Merci pour le compliment, peut-être dans une future reconversion professionnelle.

Ce qui me parait curieux c'est la loi Hubble.
...
Si mon résonnement est bon, la loi Hubble n'est pas trop cohérente.
Mais comme mon résonnement est sûrement faux...

Moi ça me paraît bien.
Vu de A, B va à 70 km/s, et C à 105 km/s
Vu de B, A va à 70 km/s (mais dans l’autre sens) et C à 35 km/s

Et tu as bien 70 + 35 = 105.

Qu’est-ce qui te gêne ?
Evidemment à partir d’une certaine distance, cette vitesse de récession est supérieure à la vitesse de la lumière.

[Acoas]

Ok excuse moi, ma question était quelque peu idiote.

Pour tout te dire je m'attendais à conserver les mêmes résultats.
Je pensais que si la galaxie "C" avait une vitesse de 105 elle devait rester à 105 peut importe le point d'observation.
Sur le coup je comprenais pas pourquoi les galaxies n'avait plus les mêmes vitesses.

Mais tu m'a ouvert les yeux

[bongo]

Aucune question n'est idiote.

La vitesse n'est pas une grandeur absolue, elle dépend forcément d'un référentiel.
Alors je vais prendre un exemple de la vie courante, ça va éclairer cet exemple.

Imaginons que tu sois dans un train, en marche (un TGV en 300 km/h tant qu'à faire). Tu marches dans le train.
Quelle est ta vitesse ?

Ben un homme normal marche à 5 km/h, mais implicitement la référence c'est par rapport au sol.
Donc à quelle vitesse tu marches dans le train ?

Ta réponse doit être : mais par rapport à quoi ?
Par rapport au train, tu marches à 5 km/h.
Mais par rapport au sol, tu marches à 305 km/h (si tu marches dans le sens du train), et 295 km/h si tu marches en sens inverse.

Donc forcément, si C a une vitesse de 105 km/s par rapport à A, et que B est à 70 km/s par rapport à A, alors C est forcément à 35 km/s par rapport à B.

C'est ce qu'on appelle la composition des vitesses.