Astronomie

Courbure de la matière noire

Courbure de la matière noire


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

La matière noire affecte-t-elle la courbure espace-temps ? Si oui, quelle est la formule pour calculer la courbure de l'espace-temps due à la matière noire ?


Cette réponse est accompagnée d'un petit avertissement. La matière noire réelle n'a pas été découverte, donc c'est théorique, mais une théorie très bien comprise.

Toute matière, sombre ou claire, affecte la courbure de l'espace-temps de la même manière. La formule de la courbure est l'équation de champ d'Einstein. La courbure est définie par la valeur d'une matrice 4x4, appelée « tenseur d'énergie de contrainte ». Qui décrit la densité d'énergie et de quantité de mouvement dans l'espace-temps. La formule ne se soucie pas de savoir si l'énergie et la quantité de mouvement proviennent de la matière ordinaire ou de la matière noire.


Oui, la même équation que celle utilisée pour les autres matières.

Marc Postman, Ray Villard et Donna Weaver du Space Telescope Science Institute ont publié les résultats d'une étude CLASH : « Communiqué de presse 2011-25 » :

"Cette image de l'amas de galaxies MACS J1206.2-0847 (ou MACS 1206 en abrégé) fait partie d'une vaste enquête avec le télescope spatial Hubble de la NASA.

Les formes déformées de l'amas sont des galaxies lointaines dont la lumière est courbée par l'attraction gravitationnelle d'un matériau invisible appelé matière noire au sein de l'amas de galaxies. Cet amas est une cible précoce dans une enquête qui permettra aux astronomes de construire les cartes de matière noire les plus détaillées d'un plus grand nombre d'amas de galaxies que jamais auparavant.

Sur le site de la NASA : « A Clash of Clusters Provides New Clue to Dark Matter » :

"… cette image composite, réalisée à l'aide des données du télescope spatial Hubble Chandra X-Ray Observatory, les chercheurs ont découvert des indices pour augmenter notre connaissance de la matière noire. Cette image est une puissante collision d'amas. Ces amas montrent des formations de matière noire, où il s'est séparé de la matière ordinaire. Les différentes disparités de couleur, ainsi que les preuves intéressantes de la matière noire… ".

Un autre article avec la même photo : "heic0818 - Science Release -- Clash of clusters fournit un nouvel indice sur la matière noire" :

"Les nouvelles observations de Hubble et Chandra de l'amas connu sous le nom de MACSJ0025.4-1222 indiquent qu'une collision titanesque a séparé la matière noire de la matière ordinaire. Cela fournit une confirmation indépendante d'un effet similaire détecté précédemment dans une cible surnommée le Bullet Cluster, montrant que le Bullet Le cluster n'est pas un cas anormal.".

Page web Wikipedia sur CLASH - Cluster Lensing et enquête Supernova avec Hubble.


La matière noire pourrait ralentir la rotation de la barre d'étoiles centrale de la Voie lactée

La Voie lactée (illustrée) contient une barre centrale d'étoiles (jaune) qui tourne avec la galaxie. Les chercheurs ont rapporté des preuves que la barre est ralentie par la présence de matière noire.

Partagez ceci :

La matière noire peut être un véritable frein. L'attraction de cette matière invisible non identifiée dans la Voie lactée pourrait ralentir la rotation de la barre d'étoiles au cœur de la galaxie.

Basé sur une technique qui recrée l'histoire du ralentissement d'une manière semblable à l'analyse des cernes d'un arbre, la vitesse de la barre a diminué d'au moins 24% depuis sa formation il y a des milliards d'années, rapportent des chercheurs dans le mois d'août. Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.

Ce ralentissement est "une autre preuve indirecte mais importante que la matière noire est une chose, pas seulement une conjecture, car cela ne peut pas se produire sans elle", a déclaré l'astrophysicien Martin Weinberg de l'Université du Massachusetts Amherst, qui n'était pas impliqué dans le étude.

De nombreuses galaxies spirales, y compris la Voie lactée, contiennent une région centrale en forme de barre densément peuplée d'étoiles et entourée par les bras tournants de la galaxie. Le bar compte aussi quelques groupies : une équipe de stars piégées par l'influence gravitationnelle du bar. Ces étoiles orbitent autour d'un point gravitationnellement stable situé le long de la barre et plus éloigné du centre de la galaxie, connu sous le nom de point de Lagrange (SN: 26/02/21).

Inscrivez-vous pour les dernières de Actualités scientifiques

Titres et résumés des dernières Actualités scientifiques articles, livrés dans votre boîte de réception

Si la rotation de la barre ralentit, elle s'allongera et les balises de la barre se déplaceront également vers l'extérieur. Au fur et à mesure que cela se produira, cette cohorte de cintres rassemblera des étoiles supplémentaires. Selon les simulations informatiques du processus, ces étoiles supplémentaires devraient s'organiser en couches à l'extérieur du groupe, explique l'astrophysicien Ralph Schönrich de l'University College London. Les couches d'étoiles impriment un enregistrement de la croissance du groupe. "C'est en fait comme un arbre que vous pouvez couper dans votre propre galaxie", dit-il.

Schönrich et l'astrophysicien Rimpei Chiba de l'Université d'Oxford ont étudié comment la composition des étoiles du groupe a changé de son bord extérieur à ses couches plus profondes. Les données du vaisseau spatial Gaia de l'Agence spatiale européenne ont révélé que les étoiles des couches externes de la barre avaient tendance à être moins enrichies en éléments plus lourds que l'hélium que les étoiles des couches internes. C'est la preuve que le groupe d'étoiles se déplace vers l'extérieur, en raison du ralentissement de la barre, selon les chercheurs. C'est parce que les étoiles au centre de la galaxie – qui se seraient glissées dans le groupe dans un passé plus lointain – ont tendance à être plus riches en éléments plus lourds que celles plus éloignées.

Le ralentissement de la barre laisse entendre qu'une force gravitationnelle agit sur elle, à savoir l'attraction de la matière noire dans la galaxie. La matière normale seule ne suffirait pas à réduire la vitesse de la barre. "S'il n'y a pas de matière noire, la barre ne ralentira pas", dit Chiba.

Mais les résultats ont suscité un certain scepticisme. "Malheureusement, cela ne me convainc pas encore", déclare l'astrophysicien Isaac Shlosman de l'Université du Kentucky à Lexington. Par exemple, il doute que la superposition des cernes des arbres se produise réellement. Il est « difficile de croire que ce soit le cas dans un système réaliste » par opposition à une simulation informatique simplifiée, dit-il.

Weinberg, d'autre part, dit que bien que l'étude repose sur une variété d'hypothèses, il soupçonne qu'elle est correcte. « Il a la bonne odeur.

Des questions ou des commentaires sur cet article ? Écrivez-nous à [email protected]

Citations

R. Chiba et R. Schönrich. Structure en anneau d'arbre de résonance de barre galactique. Avis mensuels de la Royal Astronomical Society. Vol. 505, août 2021, p. 2412. doi : 10.1093/mnras/stab1094.


La force obscure qui ralentit secrètement notre galaxie pourrait être de la matière noire

Quand quelque chose s'est mal passé dans Guerres des étoiles, cela avait généralement à voir avec le côté obscur de la Force, mais un phénomène inexpliqué dans notre galaxie est probablement lié à la matière noire.

Quelque chose de suspect se passe dans une galaxie pas si loin, très loin. Au cœur de la Voie lactée se trouve le flux d'étoiles Hercule. Sa rotation ralentit mystérieusement, et ce qui se passe exactement a été prédit depuis des décennies sans succès. Maintenant, il a enfin été mesuré et peut-être prouvé. Les astrophysiciens Rimpei Chiba de l'Université d'Oxford et Ralph Schoenrich de l'University College London pensent avoir compris quelle force obscure fait cela – et ce ne sont pas les Sith. La matière noire a apparemment contrecarré la rotation et l'a ralentie.

Plus de matière noire

Des milliards d'étoiles totalisant des milliards de masses solaires sont piégées par une barre en rotation au centre de la Voie lactée. Chiba et Shoenrich, qui ont récemment publié une étude dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, ont découvert que la rotation de cette barre avait ralenti à environ 75 % de ce qu'elle était lors de sa création.

"La découverte n'était pas attendue", ont déclaré Chiba, qui a dirigé l'étude, et Shoenrich, qui était co-auteur, à SYFY WIRE par e-mail. "Les contraintes précédentes sur la matière noire se sont principalement concentrées sur la cartographie du potentiel gravitationnel, mais le ralentissement de la barre que nous avons quantifié est lié à la masse inertielle (réponse dynamique) de la matière noire reprenant le moment angulaire de la barre galactique."

La matière noire n'a jamais été mesurée auparavant par sa masse inertielle plutôt que par son énergie gravitationnelle. La masse inertielle est la résistance d'un objet aux forces qui s'exercent contre lui, par opposition à la masse gravitationnelle ou à la force de la force gravitationnelle entre les objets. La matière noire ralentit la rotation de la barre galactique par friction dynamique ou par la traînée subie par les objets lorsqu'ils gravitent autour de la matière noire. La quantité de cette traînée retient un objet en mouvement dépend de l'endroit où se trouvent les amas de matière noire et de la quantité trouvée dans une région donnée (distribution spatiale), ainsi que de la vitesse à laquelle ces particules se déplacent, n'importe où (distribution de la vitesse).

Le noyau galactique (à droite) de la Voie lactée (à gauche). Crédit : NASA

Les étoiles dans le flux Hercules sont piégées gravitationnellement par la barre en rotation et se déplaceront vers l'extérieur à mesure que la rotation de la barre augmente de plus en plus lentement. La preuve que les étoiles d'Hercule ont migré loin de la barre tout en maintenant leurs orbites réside dans leur chimie. Les étoiles qui ont commencé dans le noyau galactique sont pleines d'éléments plus lourds, tandis que le noyau est dix fois plus riche en ces éléments que le halo. Ces étoiles sont piégées en orbite autour de la résonance, qui se produit lorsqu'une influence gravitationnelle constante est exercée par un corps en orbite sur un autre, mais peut toujours se déplacer vers l'extérieur.

"Étant donné que notre mesure quantifie la perte de moment angulaire de la barre, la découverte est en tension avec les théories alternatives de la gravité sans matière noire, qui doivent reprendre le moment angulaire perdu par la barre", ont noté Chiba et Shoenrich. "Nous ne pouvons pas voir une solution différente pour expliquer cette perte de moment angulaire."

L'équipe s'est heurtée à l'opposition même si leur explication est la seule qui ait tout à fait du sens. Bien que la matière noire soit toujours aussi sombre et mystérieuse que cela puisse paraître, il existe des moyens de la déduire jusqu'à ce que la technologie progresse suffisamment pour pouvoir la détecter autrement. Certains scientifiques ont utilisé des modèles excluant la matière noire pour montrer pourquoi la rotation de la barre galactique ralentit, mais le problème avec ceux-ci est qu'ils se retrouvent avec peu ou pas de ralentissement. D'autres qui ont proposé des modèles impliquant une gravité alternative et seulement un peu de matière noire n'ont pas vu les mêmes résultats que Chiba, Shoenrich et leur équipe de recherche.

"Vous pouvez le voir de cette façon - trouver ce nouveau type de preuve de la matière noire, c'est comme trouver une grande île dans l'océan", ont-ils déclaré. « Savoir qu'il existe est formidable, mais pour l'explorer et l'utiliser pour une étude plus approfondie, vous avez besoin de nouveaux outils. Au bout du chemin, vous obtenez de nouvelles contraintes sur l'histoire galactique et l'opportunité unique de différencier les différents modèles de matière noire. »

Désolé Vador, mais même le pouvoir du côté obscur n'a probablement rien sur la force de toute la matière noire de l'univers.


Densité de matière noire

Comme annoncé, les pics acoustiques du spectre de puissance sont sensibles à la densité de matière noire dans l'univers. (Formellement, le rapport matière/rayonnement mais la densité de rayonnement est fixe dans le modèle standard.)

Alors que nous augmentons la densité physique de la matière noire, W m h 2 , l'effet moteur disparaît à un pic donné tel que son amplitude diminue. Bien que cet effet modifie les hauteurs de tous les pics, il n'est séparable que des effets baryoniques avec au moins trois pics . Notez que la diminution de la densité de matière affecte également la charge de baryons puisque les puits de potentiel de matière noire disparaissent, ne laissant rien dans lequel les baryons tombent. Avoir un troisième pic qui est amplifié à une hauteur comparable ou supérieure au deuxième pic est une indication que la matière noire dominait la densité de matière dans le plasma avant la recombinaison. Notez que l'auto-gravité des photons et des baryons joue toujours un rôle dans les premier et deuxième pics de sorte que le troisième pic est le test le plus propre de ce comportement.

Notez également que l'emplacement des pics, et celui du premier pic en particulier, change à mesure que nous modifions la densité de matière noire. Le rapport matière/rayonnement contrôle également l'âge de l'univers au moment de la recombinaison et donc la distance parcourue par le son par rapport à la distance parcourue par la lumière après la recombinaison. C'est l'ambiguïté de premier ordre dans la mesure de la courbure spatiale de l'univers. Nous voyons ici que cette ambiguïté sera levée lorsqu'au moins trois pics seront mesurés avec précision.


Résolu : le mystère de la distribution de la matière noire dans les galaxies

Matière noire dans deux galaxies simulées sur ordinateur. La seule différence entre eux est la nature de la matière noire. Sans collisions à gauche et avec collisions à droite. Le travail suggère que la matière noire dans les galaxies réelles ressemble plus à l'image de droite, moins agglomérée et plus diffuse que celle de gauche. Le cercle marque la fin de la galaxie. Crédit : Image tirée de l'article Brinckmann et al. 2018, Avis mensuels de la Royal Astronomical Society, 474, 746.

La force gravitationnelle dans l'Univers sous laquelle elle a évolué d'un état presque uniforme au Big Bang jusqu'à maintenant, lorsque la matière est concentrée dans les galaxies, les étoiles et les planètes, est fournie par ce qu'on appelle la « matière noire ». rôle essentiel que joue ce matériau supplémentaire, nous ne savons presque rien de sa nature, de son comportement et de sa composition, ce qui est l'un des problèmes fondamentaux de la physique moderne. Lettres d'astronomie et d'astrophysique, des scientifiques de l'Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC)/Université de La Laguna (ULL) et de l'Université nationale du nord-ouest de la province de Buenos Aires (Junín, Argentine) ont montré que la matière noire dans les galaxies suit une distribution « d'entropie maximale », qui éclaire sa nature.

La matière noire représente 85 % de la matière de l'Univers, mais son existence n'apparaît qu'à des échelles astronomiques. C'est-à-dire qu'en raison de sa faible interaction, l'effet net ne peut être remarqué que lorsqu'il est présent en quantités énormes. Comme il ne refroidit que difficilement, les structures qu'il forme sont généralement beaucoup plus grosses que les planètes et les étoiles. Comme la présence de matière noire n'apparaît qu'à grande échelle, la découverte de sa nature doit probablement être faite par des études astrophysiques.

Dire que la distribution de la matière noire s'organise selon l'entropie maximale (qui équivaut au « désordre maximum » ou à « l'équilibre thermodynamique ») signifie qu'elle se trouve dans son état le plus probable. Pour atteindre ce «désordre maximal», la matière noire a dû entrer en collision en elle-même, tout comme le font les molécules de gaz, afin d'atteindre un équilibre dans lequel sa densité, sa pression et sa température sont liées. Cependant, nous ne savons pas comment la matière noire a atteint ce type d'équilibre.

"Contrairement aux molécules de l'air, par exemple, parce que l'action gravitationnelle est faible, les particules de matière noire devraient à peine entrer en collision les unes avec les autres, de sorte que le mécanisme par lequel elles atteignent l'équilibre est un mystère", explique Jorge Sánchez Almeida, chercheur à l'IAC. qui est le premier auteur de l'article. "Cependant, s'ils se heurtaient les uns aux autres, cela leur donnerait une nature très particulière, qui résoudrait en partie le mystère de leur origine", ajoute-t-il.

L'entropie maximale de la matière noire a été détectée dans les galaxies naines, qui ont un rapport matière noire/matière totale plus élevé que les galaxies plus massives, il est donc plus facile d'en voir l'effet. Cependant, les chercheurs s'attendent à ce qu'il s'agisse d'un comportement général dans tous les types de galaxies.

L'étude implique que la distribution de la matière à l'équilibre thermodynamique a une densité centrale beaucoup plus faible que les astronomes ont supposée pour de nombreuses applications pratiques, comme dans l'interprétation correcte des lentilles gravitationnelles, ou lors de la conception d'expériences pour détecter la matière noire par son auto-annihilation.

Cette densité centrale est fondamentale pour l'interprétation correcte de la courbure de la lumière par les lentilles gravitationnelles : si elle est moins dense, l'effet de la lentille est moindre. Pour utiliser une lentille gravitationnelle pour mesurer la masse d'une galaxie, il faut un modèle, si ce modèle est modifié, la mesure change.

La densité centrale est également très importante pour les expériences qui tentent de détecter la matière noire en utilisant son auto-annihilation. Deux particules de matière noire pourraient interagir et disparaître dans un processus hautement improbable, mais qui serait caractéristique de leur nature. Pour que deux particules interagissent, elles doivent entrer en collision. La probabilité de cette collision dépend de la densité de la matière noire, plus la concentration de matière noire est élevée, plus la probabilité que les particules entrent en collision est élevée.

« Pour cette raison, si la densité change, le taux de production attendu des auto-annihilations changera également, et étant donné que les expériences sont conçues sur la prédiction d'un taux donné, si ce taux était très faible, l'expérience est peu susceptible de produire un résultat positif », déclare Sánchez Almeida.

Enfin, l'équilibre thermodynamique de la matière noire pourrait également expliquer le profil de luminosité des galaxies. Cette luminosité diminue avec la distance du centre d'une galaxie d'une manière spécifique, dont l'origine physique est inconnue, mais pour laquelle les chercheurs travaillent à montrer qu'elle est le résultat d'un équilibre à entropie maximale.

Simulation contre observation

La densité de la matière noire au centre des galaxies est un mystère depuis des décennies. Il existe un fort décalage entre les prédictions des simulations (une densité élevée) et ce qui est observé (une valeur faible). Les astronomes ont proposé de nombreux types de mécanismes pour résoudre ce désaccord majeur.

Dans cet article, les chercheurs ont montré, en utilisant des principes physiques de base, que les observations peuvent être reproduites en supposant que la matière noire est en équilibre, c'est-à-dire qu'elle a une entropie maximale. Les conséquences de ce résultat pourraient être très importantes car elles indiquent que la matière noire a échangé de l'énergie avec elle-même et/ou avec la matière « normale » (baryonique) restante.

"Le fait que l'équilibre ait été atteint en si peu de temps, par rapport à l'âge de l'Univers, pourrait être le résultat d'un type d'interaction entre la matière noire et la matière normale en plus de la gravité", suggère Ignacio Trujillo, chercheur à l'IAC. et co-auteur de cet article. "La nature exacte de ce mécanisme doit être explorée, mais les conséquences pourraient être fascinantes pour comprendre quel est ce composant qui domine la quantité totale de matière dans l'Univers."


Une nouvelle expérience pour sonder les interactions avec la matière noire

Ce schéma montre le mouvement d'un pulsar tombant dans le champ gravitationnel de la Voie lactée. La flèche jaune indique le mouvement dû à la gravité de la matière normale tandis que la flèche blanche montre le mouvement causé par la matière noire dans et autour de la galaxie. Une nouvelle expérience est conçue pour découvrir si une éventuelle "cinquième force" fonctionne avec la gravité générée par la matière noire. Image : R. Hurt (SSC), JPL-Caltech, NASA et image pulsar par la NASA

Vers 1600, les expériences de Galileo Galilei l'amenèrent à la conclusion que dans le champ gravitationnel de la Terre tous les corps, indépendamment de leur masse et de leur composition, ressentent la même accélération. Isaac Newton a effectué des expériences de pendule avec différents matériaux afin de vérifier la soi-disant universalité de la chute libre et a atteint une précision de 1:1000. Plus récemment, l'expérience satellitaire MICROSCOPE a réussi à confirmer l'universalité de la chute libre dans le champ gravitationnel de la Terre avec une précision de 1:100 trillion.

Ce genre d'expériences, cependant, ne pouvait que tester l'universalité de la chute libre vers la matière ordinaire, comme la Terre elle-même dont la composition est dominée par le fer (32%), l'oxygène (30%), le silicium (15%) et le magnésium (14% ). À grande échelle, cependant, la matière ordinaire semble n'être qu'une petite fraction de la matière et de l'énergie de l'univers.

On pense que la matière dite noire représente environ 80% de la matière de notre Univers. Jusqu'à aujourd'hui, la matière noire n'a pas été observée directement. Sa présence n'est qu'indirectement déduite de diverses observations astronomiques comme la rotation des galaxies, le mouvement des amas de galaxies et les lentilles gravitationnelles. La nature réelle de la matière noire est l'une des questions les plus importantes de la science moderne. De nombreux physiciens pensent que la matière noire est constituée de particules subatomiques encore inconnues.

Avec la nature inconnue de la matière noire, une autre question importante se pose : la gravité est-elle la seule interaction à longue portée entre la matière normale et la matière noire ? En d'autres termes, la matière ne ressent-elle que la courbure de l'espace-temps causée par la matière noire, ou existe-t-il une autre force qui tire la matière vers la matière noire, ou peut-être même la repousse et réduit ainsi l'attraction globale entre la matière normale et la matière noire. Cela impliquerait une violation de l'universalité de la chute libre vers la matière noire. Cette force hypothétique est parfois appelée « cinquième force », en plus des quatre interactions fondamentales bien connues dans la nature (gravitation, interaction électromagnétique et faible, interaction forte).

À l'heure actuelle, diverses expériences fixent des limites strictes à une telle cinquième force provenant de la matière noire. L'une des expériences les plus rigoureuses utilise l'orbite Terre-Lune et teste une accélération anormale vers le centre galactique, c'est-à-dire le centre du halo sphérique de matière noire de notre Galaxie. La haute précision de cette expérience vient du Lunar Laser Ranging, où la distance à la Lune est mesurée avec une précision centimétrique en faisant rebondir les impulsions laser des rétroréflecteurs installés sur la Lune.

Jusqu'à aujourd'hui, personne n'a mené un tel test de cinquième force avec un objet exotique comme une étoile à neutrons. "Il y a deux raisons pour lesquelles les pulsars binaires ouvrent une toute nouvelle façon de tester une telle cinquième force entre la matière normale et la matière noire", explique Lijing Shao de l'Institut Max Planck de radioastronomie (MPIfR) à Bonn, en Allemagne, le premier auteur de la publication dans « Physical Review Letters ». « Premièrement, une étoile à neutrons est constituée de matière qui ne peut pas être construite en laboratoire, plusieurs fois plus dense qu'un noyau atomique et constituée presque entièrement de neutrons. De plus, les énormes champs gravitationnels à l'intérieur d'une étoile à neutrons, des milliards de fois plus forts que celui du Soleil, pourraient en principe grandement améliorer l'interaction avec la matière noire.

L'orbite d'un pulsar binaire peut être obtenue avec une grande précision en mesurant le temps d'arrivée des signaux radio du pulsar avec des radiotélescopes. Pour certains pulsars, une précision meilleure que 100 nanosecondes peut être atteinte, correspondant à une détermination de l'orbite du pulsar avec une précision meilleure que 30 mètres.

Pour tester l'universalité de la chute libre vers la matière noire, l'équipe de recherche a identifié un pulsar binaire particulièrement adapté, nommé PSR J1713+0747, qui se trouve à une distance d'environ 3800 années-lumière de la Terre. Il s'agit d'un pulsar milliseconde avec une période de rotation de seulement 4,6 millisecondes et c'est l'un des rotateurs les plus stables parmi la population de pulsars connue. De plus, il est sur une orbite presque circulaire de 68 jours avec une compagne naine blanche.

Alors que les astronomes pulsars s'intéressent généralement aux pulsars binaires étroits avec un mouvement orbital rapide lors des tests de relativité générale, les chercheurs recherchaient maintenant un pulsar milliseconde se déplaçant lentement sur une orbite large. Plus l'orbite est large, plus elle réagit à une violation de l'universalité de la chute libre. Si le pulsar ressent une accélération vers la matière noire différente de celle de la naine blanche compagne, on devrait voir une déformation de l'orbite binaire au cours du temps, c'est-à-dire un changement de son excentricité.

« Plus de 20 ans de chronométrage régulier de haute précision avec Effelsberg et d'autres radiotélescopes de l'European Pulsar Timing Array et les projets nord-américains de chronométrage des pulsars NANOGrav ont montré avec une grande précision qu'il n'y a aucun changement dans l'excentricité de l'orbite », explique Norbert Wex , également de MPIfR. "Cela signifie qu'à un degré élevé, l'étoile à neutrons ressent le même type d'attraction vers la matière noire que vers les autres formes de matière standard."

"Pour rendre ces tests encore meilleurs, nous recherchons activement des pulsars appropriés à proximité de grandes quantités de matière noire attendue", explique Michael Kramer, directeur de MPIfR et chef de son groupe de recherche "Physique fondamentale en radioastronomie". « L'endroit idéal est le centre galactique où nous utilisons Effelsberg et d'autres télescopes dans le monde pour jeter un coup d'œil dans le cadre de notre projet Black Hole Cam. Une fois que nous aurons le Square Kilometer Array, nous pourrons rendre ces tests super précis », conclut-il.


Une nouvelle carte de la matière noire révèle un mystère cosmique

Les résultats sont surprenants car ils montrent qu'il est légèrement plus lisse et plus étalé que ne le prédisent les meilleures théories actuelles.

L'observation semble s'écarter de la théorie de la relativité générale d'Einstein - posant une énigme pour les chercheurs.

Les résultats ont été publiés par la Dark Energy Survey Collaboration.

La matière noire est une substance invisible qui imprègne l'espace. Il représente 80% de la matière de l'Univers.

Les astronomes ont pu déterminer où il se trouvait car il déforme la lumière des étoiles lointaines. Plus la distorsion est importante, plus la concentration de matière noire est importante.

Le Dr Niall Jeffrey, de l'École normale supérieure de Paris, qui a reconstitué la carte, a déclaré que le résultat posait un "problème réel" pour la physique.

"Si cette disparité est vraie, alors peut-être qu'Einstein avait tort", a-t-il déclaré à BBC News. "Vous pourriez penser que c'est une mauvaise chose, que la physique est peut-être cassée. Mais pour un physicien, c'est extrêmement excitant. Cela signifie que nous pouvons découvrir quelque chose de nouveau sur la façon dont l'Univers est vraiment. »

Le professeur Carlos Frenk, de l'Université de Durham, qui était l'un des scientifiques qui se sont appuyés sur les travaux d'Albert Einstein et d'autres pour développer la théorie cosmologique actuelle, a déclaré qu'il avait des émotions mitigées en entendant la nouvelle.

"J'ai passé ma vie à travailler sur cette théorie et mon cœur me dit que je ne veux pas la voir s'effondrer. Mais mon cerveau me dit que les mesures étaient correctes, et nous devons envisager la possibilité d'une nouvelle physique », a déclaré le professeur Frenk.

« Ensuite, mon estomac se contracte, car nous n’avons pas de terrain solide à explorer car nous n’avons aucune théorie de la physique pour nous guider. Cela me rend très nerveux et craintif, car nous entrons dans un domaine complètement inconnu et qui sait ce que nous allons trouver.»

À l'aide du télescope Victor M Blanco au Chili, l'équipe à l'origine du nouveau travail a analysé 100 millions de galaxies.

La carte montre comment la matière noire s'étend à travers l'Univers. Les zones noires sont de vastes zones de néant, appelées vides, où les lois de la physique pourraient être différentes. Les zones claires sont celles où se concentre la matière noire. Ils sont appelés "halos" car en plein centre se trouve notre réalité. Au milieu d'eux se trouvent des galaxies comme notre propre Voie lactée, qui brillent comme de minuscules gemmes sur une vaste toile cosmique.

Selon le Dr Jeffrey, qui fait également partie d'un département de l'University College London, la carte montre clairement que les galaxies font partie d'une plus grande structure invisible.

"Personne dans l'histoire de l'humanité n'a été capable de regarder dans l'espace et de voir où se trouve la matière noire à un tel point. Les astronomes ont pu construire des images de petites parcelles, mais nous avons dévoilé de vastes nouvelles bandes qui montrent beaucoup plus sa structure. Pour la première fois, nous pouvons voir l'Univers d'une manière différente."

Mais la nouvelle carte de la matière noire ne montre pas tout à fait ce à quoi les astronomes s'attendaient. Ils ont une idée précise de la répartition de la matière 350 000 ans après le Big Bang, depuis un observatoire en orbite de l'Agence spatiale européenne appelé Planck. Il mesurait le rayonnement encore présent à partir de ce moment, appelé le fond diffus cosmologique, ou plus poétiquement, la « rémanence de la création ».

S'appuyant sur les idées d'Einstein, des astronomes, tels que le professeur Frenk, ont développé un modèle pour calculer comment la matière devrait se disperser au cours des 13,8 milliards d'années à venir jusqu'à nos jours. Mais les observations réelles de la nouvelle carte sont décalées de quelques pour cent - cela montre que la matière est légèrement trop uniformément répartie.

En conséquence, le professeur Frenk pense qu'il pourrait y avoir de grands changements dans notre compréhension du cosmos.

"Nous avons peut-être découvert quelque chose de vraiment fondamental sur la structure de l'Univers. La théorie actuelle repose sur des piliers très sommaires en sable. Et ce que nous voyons peut-être, c'est l'effondrement d'un de ces piliers."

Mais d'autres, comme le professeur Ofer Lahav, de l'University College London, ont une vision plus conservatrice.

"La grande question est de savoir si la théorie d'Einstein est parfaite. Il semble passer tous les tests mais avec quelques écarts ici et là. Peut-être que l'astrophysique des galaxies a juste besoin de quelques ajustements. Dans l'histoire de la cosmologie, il y a des exemples où les problèmes ont disparu, mais aussi des exemples où la pensée a changé. Il sera fascinant de voir si la "tension actuelle en cosmologie" conduira à un nouveau changement de paradigme", a-t-il déclaré.

La collaboration DES se compose de plus de 400 scientifiques de 25 institutions dans sept pays.


2 réponses 2

Il existe de nombreuses façons folles de modifier la gravité dans l'espoir d'expliquer la matière noire, mais le fait est qu'aucune de ces modifications n'a jusqu'à présent fonctionné. Aucun d'entre eux ne décrit correctement nos observations (c'est ce dont nous devrions le plus nous soucier), et le meilleur ajustement actuel est le CDM simple. Si vous voulez proposer autre chose, vous devez vraiment avoir une théorie solide et cohérente qui rende prédictions spécifiques et correspond à l'observation aussi.

Votre déclaration/question, "dites-moi pourquoi c'est mal", n'est pas une bonne façon de formuler les choses. Il faut vraiment présenter une théorie et calculer ce qu'elle prédit, plutôt que d'avoir une idée vague et de demander aux autres de la falsifier. Les gens travaillent sur une énorme pléthore d'idées - la raison pour laquelle elles ne sont pas toutes acceptées comme correctes a priori est qu'elles n'ont pas été démontrées comme telles. La charge de la preuve incombe à la personne qui présente de nouvelles idées, et non au reste de la communauté scientifique de prouver qu'elles sont fausses*.

Je ne comprends pas pourquoi la matière noire ou MOND/" la gravité fonctionne différemment à plus grande échelle" sont les seules options pour expliquer les données d'observation.

Vous demandez pourquoi la théorie X fonctionne pour ajuster les données mais pas la théorie Y ? Cela ressemble plus à une question philosophique.

---Éditer---
Enfin, pour renouer avec votre deuxième question, nous connaissons les degrés de liberté de propagation dans GR : ils sont au nombre de 2, les deux modes tenseurs (deux polarisations d'ondes gravitationnelles). On les comprend assez bien, surtout depuis la détection des ondes gravitationnelles. Ils ne se comportent pas comme vous semblez le décrire ici.

Dans les modifications, vous pouvez avoir plus de degrés de liberté de propagation, et/ou des modes scalaires/vecteurs, mais ceux-ci sont déjà assez contraints comme par le CMB. Pour ce qui est de tout le paysage des théories possibles et de leurs prédictions, je ne suis pas sûr que quiconque puisse éliminer des choses qui se comportent comme de la matière noire d'une certaine manière, mais cela n'a pas encore été mis en avant de manière convaincante.

*Bien sûr, les gens passent beaucoup de temps à trouver des problèmes et des incohérences dans les théories physiques, mais ce n'est pas de cela dont nous parlons ici.


La matière noire ralentit la rotation de la barre galactique de la Voie lactée

La rotation de la barre galactique de la Voie lactée, qui est composée de milliards d'étoiles en cluster, a ralenti d'environ un quart depuis sa formation, selon une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'University College London et de l'Université d'Oxford.

Collège universitaire de Londres

IMAGE: Conception d'artiste de la galaxie de la Voie lactée. Voir plus

The spin of the Milky Way's galactic bar, which is made up of billions of clustered stars, has slowed by about a quarter since its formation, according to a new study by researchers at University College London (UCL) and the University of Oxford.

For 30 years, astrophysicists have predicted such a slowdown, but this is the first time it has been measured.

The researchers say it gives a new type of insight into the nature of dark matter, which acts like a counterweight slowing the spin.

In the study, published in the Avis mensuels de la Royal Astronomical Society, researchers analysed Gaia space telescope observations of a large group of stars, the Hercules stream, which are in resonance with the bar - that is, they revolve around the galaxy at the same rate as the bar's spin.

These stars are gravitationally trapped by the spinning bar. The same phenomenon occurs with Jupiter's Trojan and Greek asteroids, which orbit Jupiter's Lagrange points (ahead and behind Jupiter). If the bar's spin slows down, these stars would be expected to move further out in the galaxy, keeping their orbital period matched to that of the bar's spin.

The researchers found that the stars in the stream carry a chemical fingerprint - they are richer in heavier elements (called metals in astronomy), proving that they have travelled away from the galactic centre, where stars and star-forming gas are about 10 times as rich in metals compared to the outer galaxy.

Using this data, the team inferred that the bar - made up of billions of stars and trillions of solar masses - had slowed down its spin by at least 24% since it first formed.

Co-author Dr Ralph Schoenrich (UCL Physics & Astronomy) said: "Astrophysicists have long suspected that the spinning bar at the centre of our galaxy is slowing down, but we have found the first evidence of this happening.

"The counterweight slowing this spin must be dark matter. Until now, we have only been able to infer dark matter by mapping the gravitational potential of galaxies and subtracting the contribution from visible matter.

"Our research provides a new type of measurement of dark matter - not of its gravitational energy, but of its inertial mass (the dynamical response), which slows the bar's spin."

Co-author and PhD student Rimpei Chiba, of the University of Oxford, said: "Our finding offers a fascinating perspective for constraining the nature of dark matter, as different models will change this inertial pull on the galactic bar.

"Our finding also poses a major problem for alternative gravity theories - as they lack dark matter in the halo, they predict no, or significantly too little slowing of the bar."

The Milky Way, like other galaxies, is thought to be embedded in a 'halo' of dark matter that extends well beyond its visible edge.

Dark matter is invisible and its nature is unknown, but its existence is inferred from galaxies behaving as if they were shrouded in significantly more mass than we can see. There is thought to be about five times as much dark matter in the Universe as ordinary, visible matter.

Alternative gravity theories such as modified Newtonian dynamics reject the idea of dark matter, instead seeking to explain discrepancies by tweaking Einstein's theory of general relativity.

The Milky Way is a barred spiral galaxy, with a thick bar of stars in the middle and spiral arms extending through the disc outside the bar. The bar rotates in the same direction as the galaxy.

The research received support from the Royal Society, the Takenaka Scholarship Foundation, and the Science and Technology Facilities Council (STFC).

Avertissement: AAAS et EurekAlert ! ne sont pas responsables de l'exactitude des communiqués de presse publiés sur EurekAlert! par les institutions contributrices ou pour l'utilisation de toute information via le système EurekAlert.


A New Experiment to Understand Dark Matter

Is dark matter a source of a yet unknown force in addition to gravity? The mysterious dark matter is little understood and trying to understand its properties is an important challenge in modern physics and astrophysics. Researchers at the Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn, Germany, have proposed a new experiment that makes use of super-dense stars to learn more about the interaction of dark matter with standard matter. This experiment already provides some improvement in constraining dark matter properties, but even more progress is promised by explorations in the centre of our Milky Way that are underway.

The findings are published in the journal Physical Review Letters (2018 June 15 issue).

Schematic image of a pulsar, falling in the gravitational field of the Milky Way. The two arrows indicate the direction . [Suite]

Schematic image of a pulsar, falling in the gravitational field of the Milky Way. The two arrows indicate the direction of the attractive forces, towards the standard matter - stars, gas, etc. (yellow arrow) and towards the spherical distribution of dark matter (grey arrow). The question is, whether dark matter attracts the pulsar only by gravity or, in addition to gravity, by a yet unknown „fifth force“?

Schematic image of a pulsar, falling in the gravitational field of the Milky Way. The two arrows indicate the direction of the attractive forces, towards the standard matter - stars, gas, etc. (yellow arrow) and towards the spherical distribution of dark matter (grey arrow). The question is, whether dark matter attracts the pulsar only by gravity or, in addition to gravity, by a yet unknown „fifth force“?

Around 1600, Galileo Galilei’s experiments brought him to the conclusion that in the gravitational field of the Earth all bodies, independent of their mass and composition feel the same acceleration. Isaac Newton performed pendulum experiments with different materials in order to verify the so-called universality of free fall and reached a precision of 1:1000. More recently, the satellite experiment MICROSCOPE managed to confirm the universality of free fall in the gravitational field of the Earth with a precision of 1:100 trillion.

These kind of experiments, however, could only test the universality of free fall towards ordinary matter, like the Earth itself whose composition is dominated by iron (32%), oxygen (30%), silicon (15%) and magnesium (14%). On large scales, however, ordinary matter seems to be only a small fraction of matter and energy in the universe.

It is believed that the so-called dark matter accounts for about 80% of the matter in our Universe. Until today, dark matter has not been observed directly. Its presence is only indirectly inferred from various astronomical observations like the rotation of galaxies, the motion of galaxy clusters, and gravitational lenses. The actual nature of dark matter is one of the most prominent questions in modern science. Many physicists believe that dark matter consists of so far undiscovered sub-atomic particles.

With the unknown nature of dark matter another important question arises: is gravity the only long-range interaction between normal matter and dark matter? In other words, does matter only feel the space-time curvature caused by dark matter, or is there another force that pulls matter towards dark matter, or maybe even pushes it away and thus reduces the overall attraction between normal matter and dark matter. That would imply a violation of the universality of free fall towards dark matter. This hypothetical force is sometimes labeled as “fifth force”, besides the well-known four fundamental interactions in nature (gravitation, electromagnetic & weak interaction, strong interaction).

At present, there are various experiments setting tight limits on such a fifth force originating from dark matter. One of the most stringent experiments uses the Earth-Moon orbit and tests for an anomalous acceleration towards the Galactic center, i.e. the center of the spherical dark matter halo of our Galaxy. The high precision of this experiment comes from Lunar Laser Ranging, where the distance to the Moon is measured with centimeter precision by bouncing laser pulses of the retro reflectors installed on the Moon.

Until today, nobody has conducted such a fifth force test with an exotic object like a neutron star. “There are two reasons that binary pulsars open up a completely new way of testing for such a fifth force between normal matter and dark matter”, says Lijing Shao from the Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) in Bonn, Germany, the first author of the publication in “Physical Review Letters”. “First, a neutron star consists of matter which cannot be constructed in a laboratory, many times denser than an atomic nucleus and consisting nearly entirely of neutrons. Moreover, the enormous gravitational fields inside a neutron star, billion times stronger than that of the Sun, could in principle greatly enhance the interaction with dark matter.”

The orbit of a binary pulsar can be obtained with high precision by measuring the arrival time of the radio signals of the pulsar with radio telescopes. For some pulsars, a precision of better than 100 nanoseconds can be achieved, corresponding to a determination of the pulsar orbit with a precision better than 30 meters.

To test the universality of free fall towards dark matter, the research team identified a particularly suitable binary pulsar, named PSR J1713+0747, which is at a distance of about 3800 light years from the Earth. This is a millisecond pulsar with a rotational period of just 4.6 milliseconds and is one of the most stable rotators amongst the known pulsar population. Moreover, it is in a nearly circular 68-day orbit with a white dwarf companion.

While pulsar astronomers usually are interested in tight binary pulsars with fast orbital motion when testing general relativity, the researchers were now looking for a slowly moving millisecond pulsar in a wide orbit. The wider the orbit, the more sensitive it reacts to a violation of the universality of free fall. If the pulsar feels a different acceleration towards dark matter than the white dwarf companion, one should see a deformation of the binary orbit over time, i.e. a change in its eccentricity.

“More than 20 years of regular high precision timing with Effelsberg and other radio telescopes of the European Pulsar Timing Array and the North American NANOGrav pulsar timing projects showed with high precision that there is no change in the eccentricity of the orbit”, explains Norbert Wex, also from MPIfR. “This means that to a high degree the neutron star feels the same kind of attraction towards dark matter as towards other forms of standard matter.”

“To make these tests even better, we are busily searching for suitable pulsars near large amounts of expected dark matter”, says Michael Kramer, director at MPIfR and head of its “Fundamental Physics in Radio Astronomy” research group. “The ideal place is the Galactic centre where we use Effelsberg and other telescopes in the world to have a look as part of our Black Hole Cam project. Once we will have the Square Kilometre Array, we can make those tests super-precise”, he concludes.

BlackHoleCam is an ERC-funded Synergy project to finally image, measure and understand astrophysical black holes. Its principal investigators, Heino Falcke, Michael Kramer and Luciano Rezzolla, test fundamental predictions of Einstein’s theory of General Relativity. The BlackHoleCam team members are active partners of the global Event Horizon Telescope Consortium (EHTC).