Astronomie

La matière noire pourrait-elle aider à la formation des étoiles ?

La matière noire pourrait-elle aider à la formation des étoiles ?


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Ceci est lié à la question : « La matière noire peut-elle diminuer la longueur du jean ? Si la matière noire aide de quelque manière que ce soit à la formation d'étoiles, ne devrait-elle pas être détectable en mesurant avec précision les vitesses dans les jeunes amas ouverts ? En particulier, les mouvements des étoiles dans les Pléiades pourraient-ils tous être expliqués sans la présence de matière noire ?


Étrange, vous devriez demander - je travaille actuellement sur un article sur NGC 2516 - "les Pléiades méridionales" et en regardant l'état dynamique des étoiles par rapport à la distribution de la masse visible.

Notre conclusion est que les vitesses radiales des étoiles sont en équilibre viriel, avec des dispersions de vitesse tout à fait cohérentes avec la masse présente dans les étoiles visibles. Donc, pas besoin de matière noire là-bas - vous pourriez probablement exclure toute contribution de plus d'environ 50% des étoiles visibles. (NB le but du travail n'est pas de chercher de la matière noire, ce n'est pas prévu - voir ci-dessous).

C'est l'une des premières mesures très détaillées pour un amas ouvert (comme les Pléiades), car les précisions de vitesse requises doivent être considérablement meilleures que la dispersion de vitesse. Et pour un amas clairsemé comme les Pléiades, c'est $<1$ km/s, ce qui est difficile.

Il existe un ancien article de Jones (1970) qui utilise les mouvements propres dans les Pléiades pour estimer une masse dynamique basée sur l'équilibre du viriel de 690 $ M_{odot}$, qui se compare à 470 $ M_{odot}$ en comptant directement étoiles. Mais Jones souligne que ce dernier nombre est une limite inférieure (ils n'ont certainement pas pu voir des étoiles de très faible masse et des naines brunes dans leur étude) et le premier nombre a de grandes incertitudes. Il n'y a donc aucune preuve réelle d'une quelconque "matière noire".

La dynamique des amas globulaires est plus facile à mesurer - ils sont plus massifs et ont des dispersions de vitesse beaucoup plus élevées. L'image générale est un accord raisonnable entre les dispersions de vitesse et les distributions de masse déduites du comptage des étoiles visibles. Il y a bien sûr des incertitudes, mais il ne peut y avoir de grande composante de matière noire. Des limites aussi petites que $<6$% de matière noire ont été fixées dans certains clusters (par exemple Ibata et al. 2012).

Les premiers résultats du satellite Gaia, attendus dans environ 18 mois, feront exploser ce champ. Nous aurons des vitesses tangentielles extrêmement précises pour $sim 1000$ étoiles dans les Pléiades.

On ne s'attend pas à ce que la matière noire joue un rôle dans la formation à petite échelle (amas d'étoiles). Lorsque des clusters se forment, la dissipation d'énergie dans les interactions gazeuses est ce qui leur permet de se transformer en systèmes liés. La matière noire est sans dissipation. Comme la vitesse d'échappement de ces amas est de 1 à 10 km/s, comparée à des vitesses de centaines de km/s pour la matière datk, on ne s'attend même pas à ce qu'il y ait une concentration gravitationnelle de matière noire. Ceci est assez différent de la formation des galaxies, qui est associée à des structures de matière noire préexistantes.


Les astronomes offrent une explication possible pour les galaxies insaisissables sans matière noire

Une équipe dirigée par des astronomes de l'Université de Californie à Riverside a découvert que certaines galaxies naines peuvent aujourd'hui sembler exemptes de matière noire, même si elles se sont formées comme des galaxies dominées par la matière noire dans le passé.

Les galaxies qui semblent avoir peu ou pas de matière noire – un matériau non lumineux censé constituer 85 % de la matière de l'univers – compliquent la compréhension par les astronomes du contenu de matière noire de l'univers. De telles galaxies, qui ont été récemment découvertes dans des observations, remettent en question un modèle cosmologique utilisé par les astronomes appelé Lambda Cold Dark Matter, ou LCDM, où toutes les galaxies sont entourées d'un halo de matière noire massif et étendu.

Les galaxies sans matière noire ne sont pas bien comprises dans la communauté astronomique. Une façon d'étudier les mécanismes de formation possibles de ces galaxies insaisissables - les galaxies ultradiffuses DF2 et DF4 en sont des exemples - est de trouver des objets similaires dans des simulations numériques et d'étudier leur évolution temporelle et les circonstances qui conduisent à leur perte de matière noire.

Jessica Doppel, étudiante diplômée du département de physique et d'astronomie de l'UC Riverside et première auteure d'un article de recherche publié dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, a expliqué que dans un univers LCDM, toutes les galaxies devraient être dominées par la matière noire.

« C'est le défi, dit-elle. « Trouver des analogues dans les simulations de ce que voient les observateurs est important et n'est pas garanti. Commencer à cerner les origines de ces types d'objets et de leurs populations d'amas globulaires souvent anormales nous permet de consolider davantage notre cadre théorique de la matière noire et de la formation des galaxies et confirme qu'aucune forme alternative de matière noire n'est nécessaire. Nous avons trouvé que la matière noire froide fonctionne bien.

Pour l'étude, les chercheurs ont utilisé une simulation cosmologique et hydrodynamique appelée Illustris, qui propose un modèle de formation de galaxies qui inclut l'évolution stellaire, la rétroaction des supernovas, la croissance des trous noirs et les fusions. Les chercheurs ont découvert que quelques «galaxies naines» dans des amas avaient un contenu stellaire, un nombre d'amas globulaire et une masse de matière noire similaires à ceux de DF2 et DF4. Comme son nom l'indique, une galaxie naine est petite, comprenant jusqu'à plusieurs milliards d'étoiles. En revanche, la Voie lactée, qui compte plus de 20 galaxies naines connues en orbite, compte 200 à 400 milliards d'étoiles. Les amas globulaires sont souvent utilisés pour estimer la teneur en matière noire des galaxies, en particulier des naines.

Les chercheurs ont utilisé la simulation Illustris pour étudier l'origine de galaxies naines étranges telles que DF2 et DF4. Ils ont trouvé des analogues simulés de naines sans matière noire sous la forme d'objets qui avaient évolué au sein des amas de galaxies pendant longtemps et avaient perdu plus de 90 % de leur matière noire par érosion par les marées - l'élimination de matière par les forces de marée galactiques. .

"Il est intéressant de noter que le même mécanisme d'arrachement des marées est capable d'expliquer d'autres propriétés des naines comme DF2 et DF4 - par exemple, le fait qu'elles soient des galaxies" ultradiffuses "", a déclaré la co-auteure Laura Sales, professeure agrégée de physique et d'astronomie. à l'UCR et conseiller aux diplômés de Doppel. « Nos simulations suggèrent une solution combinée à la fois à la structure de ces naines et à leur faible teneur en matière noire. Peut-être que la perte de masse de marée extrême dans des galaxies naines par ailleurs normales est la façon dont les objets ultradiffus se forment. »

En collaboration avec des chercheurs de l'Institut Max Planck d'astrophysique en Allemagne, le groupe de Sales travaille actuellement sur des simulations améliorées qui présentent une physique plus détaillée et une résolution numérique environ 16 fois meilleure que la simulation Illustris.

"Avec ces données, nous pourrons étendre notre étude à des naines de masse encore plus faible, qui sont plus abondantes dans l'univers et devraient être plus dominées par la matière noire en leurs centres, ce qui les rend plus difficiles à expliquer", a déclaré Doppel. "Nous explorerons si le décapage par les marées pourrait fournir un moyen d'épuiser les nains de leur contenu interne de matière noire. Nous prévoyons de faire des prédictions sur le contenu de l'étoile, de l'amas globulaire et de la matière noire des nains, que nous comparerons ensuite aux observations futures.

L'équipe de recherche a déjà obtenu du temps à l'Observatoire W. M. Keck pour aider à répondre à certaines des questions relatives aux observations de nains dans l'amas de la Vierge.

Sales et Doppel ont été rejoints dans la recherche par Julio F. Navarro de l'Université de Victoria au Canada Mario G. Abadi et Felipe Ramos-Almendares de l'Université nationale de Córdoba en Argentine Eric W. Peng de l'Université de Pékin en Chine et Elisa Toloba de l'Université du Pacifique en Californie.

L'étude a été financée par des subventions de la NASA et de la National Science Foundation.

Le document de recherche est intitulé « Amas globulaires en tant que traceurs de la teneur en matière noire des naines dans les amas de galaxies ».


Une explication possible découverte pour des galaxies insaisissables sans matière noire

Une équipe dirigée par des astronomes de l'Université de Californie à Riverside a découvert que certaines galaxies naines peuvent aujourd'hui sembler exemptes de matière noire, même si elles se sont formées comme des galaxies dominées par la matière noire dans le passé.

Les galaxies qui semblent avoir peu ou pas de matière noire – un matériau non lumineux qui constituerait 85 % de la matière de l'univers – compliquent la compréhension des astronomes du contenu de la matière noire de l'univers. De telles galaxies, qui ont été récemment découvertes dans des observations, remettent en question un modèle cosmologique utilisé par les astronomes appelé Lambda Cold Dark Matter, ou LCDM, où toutes les galaxies sont entourées d'un halo de matière noire massif et étendu.

Les galaxies sans matière noire ne sont pas bien comprises dans la communauté astronomique. Une façon d'étudier les mécanismes de formation possibles de ces galaxies insaisissables - les galaxies ultradiffuses DF2 et DF4 en sont des exemples - est de trouver des objets similaires dans des simulations numériques et d'étudier leur évolution temporelle et les circonstances qui conduisent à leur perte de matière noire.

Jessica Doppel, étudiante diplômée du département de physique et d'astronomie de l'UC Riverside et première auteure d'un article de recherche publié dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society, a expliqué que dans un univers LCDM, toutes les galaxies devraient être dominées par la matière noire.

Laura Sales (assise, à gauche) avec son groupe de recherche d'étudiants anciens et actuels, dont Jessica Doppel (assise, à droite). Crédit : Stan Lim, UC Riverside.

« C'est le défi », a-t-elle déclaré. “Trouver des analogues dans les simulations de ce que voient les observateurs est important et n'est pas garanti. Commencer à cerner les origines de ces types d'objets et de leurs populations d'amas globulaires souvent anormales nous permet de consolider davantage notre cadre théorique de la matière noire et de la formation des galaxies et confirme qu'aucune forme alternative de matière noire n'est nécessaire. Nous avons trouvé que la matière noire froide fonctionne bien.”

Pour l'étude, les chercheurs ont utilisé une simulation cosmologique et hydrodynamique appelée Illustris, qui propose un modèle de formation de galaxies qui inclut l'évolution stellaire, la rétroaction des supernovas, la croissance des trous noirs et les fusions. Les chercheurs ont découvert que quelques "galaxies naines" en amas avaient un contenu stellaire, un nombre d'amas globulaire et une masse de matière noire similaires à ceux de DF2 et DF4. Comme son nom l'indique, une galaxie naine est petite, comprenant jusqu'à plusieurs milliards d'étoiles. En revanche, la Voie lactée, qui compte plus de 20 galaxies naines connues en orbite, compte 200 à 400 milliards d'étoiles. Les amas globulaires sont souvent utilisés pour estimer la teneur en matière noire des galaxies, en particulier des naines.

Les chercheurs ont utilisé la simulation Illustris pour étudier l'origine de galaxies naines étranges telles que DF2 et DF4. Ils ont trouvé des analogues simulés de naines sans matière noire sous la forme d'objets qui avaient évolué au sein des amas de galaxies pendant longtemps et avaient perdu plus de 90 % de leur matière noire par érosion due aux marées - l'élimination de matière par les forces de marée galactiques. .

"Il est intéressant de noter que le même mécanisme d'arrachement des marées est capable d'expliquer d'autres propriétés des naines comme DF2 et DF4 - par exemple, le fait qu'elles sont des galaxies "ultradiffuses"", a déclaré la co-auteur Laura Sales, une associée. professeur de physique et d'astronomie à l'UCR et conseiller diplômé de Doppel. “Nos simulations suggèrent une solution combinée à la fois à la structure de ces naines et à leur faible teneur en matière noire. Peut-être que la perte de masse de marée extrême dans les galaxies naines par ailleurs normales est la façon dont les objets ultradiffus se forment.

En collaboration avec des chercheurs de l'Institut Max Planck d'astrophysique en Allemagne, le groupe Sales travaille actuellement sur des simulations améliorées qui présentent une physique plus détaillée et une résolution numérique environ 16 fois meilleure que la simulation Illustris.

"Avec ces données, nous pourrons étendre notre étude à des naines de masse encore plus faible, qui sont plus abondantes dans l'univers et devraient être plus dominées par la matière noire en leurs centres, ce qui les rend plus difficiles à expliquer", dit Doppel. « Nous explorerons si le décapage par les marées pourrait fournir un moyen d'épuiser les nains de leur contenu de matière noire interne. Nous prévoyons de faire des prédictions sur le contenu des étoiles naines, de l'amas globulaire et de la matière noire, que nous comparerons ensuite aux observations futures.

Référence : « Amas globulaires en tant que traceurs de la teneur en matière noire des naines dans les amas de galaxies » par Jessica E Doppel, Laura V Sales, Julio F Navarro, Mario G Abadi, Eric W Peng, Elisa Toloba et Felipe Ramos-Almendares, 8 février 2021, Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
DOI : 10.1093/mnras/staa3915

L'équipe de recherche a déjà obtenu du temps à l'Observatoire W. M. Keck pour aider à répondre à certaines des questions relatives aux observations de nains dans l'amas de la Vierge.

Sales et Doppel ont été rejoints dans la recherche par Julio F. Navarro de l'Université de Victoria au Canada Mario G. Abadi et Felipe Ramos-Almendares de l'Université nationale de Córdoba en Argentine Eric W. Peng de l'Université de Pékin en Chine et Elisa Toloba de l'Université du Pacifique en Californie.

L'étude a été financée par des subventions de la NASA et de la National Science Foundation.


Est-ce qu'au moins une partie de la matière noire est chargée électriquement ? Peut-être

La matière noire avec une petite charge électrique pourrait aider à expliquer l'évolution de l'univers primitif, selon les astronomes. Dans cette image, l'univers est imaginé évoluant du Big Bang à une ère de rayonnement de fond cosmique, les « âges sombres » ultérieurs à la formation d'étoiles et de galaxies : CfA/M. Weiss

Les astronomes ont proposé un nouveau modèle pour la matière invisible qui constitue la majeure partie de la matière de l'Univers. Ils ont étudié si une fraction des particules de matière noire pouvait avoir une petite charge électrique.

"Vous avez entendu parler de voitures électriques et de livres électroniques, mais maintenant nous parlons de matière noire électrique", a déclaré Julian Munoz de l'Université Harvard à Cambridge, Massachusetts, qui a dirigé l'étude publiée dans la revue. Nature. “Cependant, cette charge électrique est sur la plus petite des échelles.”

Munoz et son collaborateur, Avi Loeb du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) à Cambridge, Massachusetts, explorent la possibilité que ces particules de matière noire chargées interagissent avec la matière normale par la force électromagnétique.

Leur nouveau travail concorde avec un résultat récemment annoncé de la collaboration Experiment to Detect the Global EoR (Epoch of Reionization) Signature (EDGES). En février, les scientifiques de ce projet ont déclaré avoir détecté la signature radio de la première génération d'étoiles et des preuves possibles d'une interaction entre la matière noire et la matière normale. Certains astronomes ont rapidement contesté l'affirmation EDGES. Pendant ce temps, Munoz et Loeb examinaient déjà la base théorique qui la sous-tend.

« Nous sommes en mesure de raconter une histoire de physique fondamentale avec nos recherches, quelle que soit la façon dont vous interprétez le résultat EDGES », a déclaré Loeb, qui est le président du département d'astronomie de Harvard. “La nature de la matière noire est l'un des plus grands mystères de la science et nous devons utiliser toutes les nouvelles données connexes pour y faire face.”

L'histoire commence avec les premières étoiles, qui émettaient de la lumière ultraviolette (UV). Selon le scénario communément admis, cette lumière UV a interagi avec des atomes d'hydrogène froids dans le gaz situé entre les étoiles et leur a permis d'absorber le rayonnement du fond diffus cosmologique (CMB), le rayonnement restant du Big Bang.

Cette absorption aurait dû conduire à une baisse d'intensité du CMB durant cette période, qui survient moins de 200 millions d'années après le Big Bang. L'équipe EDGES a affirmé avoir détecté des preuves de cette absorption de la lumière CMB, bien que cela n'ait pas encore été vérifié de manière indépendante par d'autres scientifiques. Cependant, la température de l'hydrogène gazeux dans les données EDGES est environ la moitié de la valeur attendue.

« Si EDGES a détecté de l'hydrogène gazeux plus froid que prévu au cours de cette période, qu'est-ce qui pourrait l'expliquer ? », a déclaré Munoz. “Une possibilité est que l'hydrogène ait été refroidi par la matière noire.”

Au moment où le rayonnement CMB est absorbé, tous les électrons ou protons libres associés à la matière ordinaire se seraient déplacés à leur vitesse la plus lente possible (puisque plus tard ils ont été chauffés par les rayons X des premiers trous noirs). La diffusion des particules chargées est plus efficace à basse vitesse. Par conséquent, toute interaction entre la matière normale et la matière noire au cours de cette période aurait été la plus forte si certaines des particules de matière noire étaient chargées. Cette interaction provoquerait le refroidissement du gaz hydrogène car la matière noire est froide, laissant potentiellement une signature observationnelle comme celle revendiquée par le projet EDGES.

"Nous limitons la possibilité que les particules de matière noire portent une minuscule charge électrique - égale à un millionième de celle d'un électron - via des signaux mesurables provenant de l'aube cosmique", a déclaré Loeb. “De telles charges minuscules sont impossibles à observer, même avec les plus gros accélérateurs de particules.”

Seules de petites quantités de matière noire avec une faible charge électrique peuvent à la fois expliquer les données EDGES et éviter un désaccord avec d'autres observations. Si la majeure partie de la matière noire était chargée, alors ces particules auraient été déviées des régions proches du disque de notre propre Galaxie et empêchées de rentrer. Cela contredit les observations montrant que de grandes quantités de matière noire sont situées à proximité du disque de la Voie lactée.

Les scientifiques savent d'après les observations du CMB que les protons et les électrons se sont combinés dans l'Univers primitif pour former des atomes neutres. Seule une petite fraction de ces particules chargées, environ une sur quelques milliers, est restée libre. Munoz et Loeb envisagent la possibilité que la matière noire ait pu agir de la même manière. Les données d'EDGES et d'expériences similaires pourraient être le seul moyen de détecter les quelques particules chargées restantes, car la plupart de la matière noire serait neutre.

« L'espace des paramètres viables pour ce scénario est assez limité, mais s'il était confirmé par des observations futures, nous apprendrions bien sûr quelque chose de fondamental sur la nature de la matière noire, l'une des plus grandes énigmes que nous ayons en physique aujourd'hui », a déclaré Cora Dvorkin de Harvard, qui n'était pas impliquée dans la nouvelle étude.

Un article décrivant ces résultats paraît dans le numéro du 31 mai 2018 de la revue Nature.


Les boules de matière noire aident les supernovae à exploser (astronomie / cosmologie)

Un modèle antérieur de Froggatt et Neilson proposait que la matière noire soit constituée d'objets semblables à des naines blanches d'un cm de large maintenus ensemble par une peau séparant deux sortes différentes de vide. Maintenant, dans leur article récent, ils ont proposé que ces boules ou perles de matière noire se rassemblent au milieu de n'importe quelle étoile tout au long de sa vie. À un certain stade du développement d'une supernova, les boules commenceront à absorber des neutrons, puis d'autres matériaux environnants. En passant dans une boule, les nucléons tombent à travers un potentiel d'ordre 10 MeV, provoquant une sévère production de chaleur – d'ordre 10 ennemi pour une masse solaire de matière mangée par les boules. La température dans le noyau de fer sera ainsi augmentée, divisant le fer en noyaux plus petits. Cela fournit un mécanisme pour raviver l'onde de choc lorsqu'elle arrive et pour que l'explosion de la supernova se produise réellement.

Une explosion de supernova est censée provenir de la chute du matériau de l'étoile progénitrice réfléchie après avoir été arrêtée par les forces nucléaires, lorsqu'une étoile à neutrons est d'abord formée et comprimée à environ le double de la densité de matière nucléaire. La ré-expansion de l'étoile à neutrons comprimée au centre provoquerait alors la propagation d'une onde de choc vers l'extérieur. Cette onde de choc devrait provoquer ce qui est considéré comme l'explosion d'une supernova. Cependant, des calculs plus détaillés suggèrent que, du moins à moins d'inclure un développement convectif ou non symétrique, l'onde de choc a tendance à se caler avant d'atteindre suffisamment loin pour expulser l'enveloppe stellaire et fournir suffisamment d'énergie pour la magnitude observée des explosions de supernova.

Cette conclusion selon laquelle une quantité insuffisante d'énergie est déposée dans le matériau expulsé du noyau reste vraie, même lorsque l'effet d'un flux de neutrinos provenant du centre est inclus dans les calculs. Le chauffage de ces neutrinos ne ravive cependant pas suffisamment l'onde de choc pour fournir l'énergie de 1 ennemi 10^51 ergs nécessaire aux restes stellaires et au rayonnement observés. Ce n'est pas qu'il n'y ait pas suffisamment d'énergie disponible dans l'effondrement, car l'effondrement gravitationnel de l'étoile à neutrons libère facilement 100 ennemis. Néanmoins, les simulations montrent que l'onde de choc émise manque de force et ne peut même pas fournir le seul ennemi nécessaire.

On espère toujours que des simulations bidimensionnelles ou tridimensionnelles plus détaillées, y compris la convection, pourraient expliquer comment, au moins dans une certaine direction, suffisamment d'énergie serait apportée pour raviver l'onde de choc afin de fournir l'explosion observée. Alternativement, une source d'énergie supplémentaire fournissant ce "renouveau" pourrait aider.

C'est en effet une telle source d'énergie supplémentaire, que Froggatt et Nielsen ont proposé dans ce présent travail.

Froggatt et Neilson ont précédemment émis l'hypothèse que la matière noire était constituée de boules de la taille d'une perle contenant un type de vide différent - un avec un condensat d'états liés de 6 quarks top + 6 anti-top - et de matière ordinaire très fortement comprimée. Ils ont proposé ici que ces boules de matière noire puissent devenir actives et aspirer de la matière ordinaire, si elles sont entourées de matière avec une quantité suffisante de neutrons libres. L'activité de ces boules de la taille d'une perle dans une supernova consiste tout d'abord à capter les neutrons libres et ainsi à s'étendre à une taille de plus en plus grande. Comme le potentiel de nucléons dans le vide à l'intérieur des perles est supposé être inférieur de 10 MeV pour les nucléons qu'à l'extérieur, cette expansion des perles libère 10 MeV d'énergie pour chaque nucléon absorbé. L'absorption rapide des neutrons rend l'expansion explosive et produit une grande quantité d'énergie dans la région jusqu'à, disons, 500 km du centre. Cette explosion est censée arrêter ou plutôt reporter l'effondrement gravitationnel Kelvin-Helmholtz habituel de la supernova, qui débute à la fin de l'ère de la combustion du silicium jusqu'aux éléments du pic de fer. Avant qu'il ne s'arrête, l'effondrement Kelvin-Helmholtz commence déjà à produire un groupe de neutrinos qui, dans le cas de la supernova SN1987A, a été observé comme le « premier groupe » de neutrinos par l'expérience du Mont Blanc.

Ensuite, l'intérieur de l'étoile, chauffé par l'explosion des perles de matière noire, se refroidit par émission de neutrinos jusqu'à ce que l'effondrement gravitationnel puisse reprendre et générer un deuxième bouquet de neutrinos. « Nous avons estimé que cela se produirait dans un délai de 14 heures après l'interruption du premier effondrement. “, dit Froggatt.

Le support de leur modèle est fourni par le fait que, dans la supernova SN1987A, il y avait apparemment en effet deux paquets de fortes rafales de neutrinos - chacune d'une longueur de l'ordre de 10 s. De plus, il y avait un intervalle de 4 heures 43 minutes entre les deux sursauts de neutrinos, ce qui est parfaitement cohérent avec leur estimation brute de l'ordre de grandeur de 14 heures pour ce délai. Une autre réalisation importante de leur modèle est la fourniture d'une source d'énergie supplémentaire par l'expansion de nos perles de matière noire, qui est bien adaptée pour raviver l'onde de choc expulsée par une étoile à neutrons nouvellement formée. Cette énergie supplémentaire est également capable de fournir à l'ennemi observé 1 d'énergie nécessaire aux restes stellaires pour s'échapper.

Les perles de matière noire partent de la taille du cm avec une densité de l'ordre de 10¹¹ g/cm³. Cependant, ils ont constaté qu'en présence d'un apport de neutrons libres, les perles se dilatent rapidement jusqu'à ce que la densité (neutron) dans le matériau environnant devienne suffisamment faible.

« Au fur et à mesure que les boules grossissent, le champ électrique entourant les boules s'affaiblit, bien que plus étendu », ce qui permet aux boules de se coller plus facilement ensemble, formant finalement une grosse boule entourant l'étoile à neutrons. ”, a déclaré Neilsen .

L'image sélectionnée:Impression d'artiste de boules de matière noire © Getty Images

Référence: C. D. Froggatt et H. B. Nielsen, “Les boules de matière noire aident les supernovae à exploser”, Modern Physics Letters A, Vol. 30, n° 36, 1550195 (2015). https://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/S0217732315501953 https://doi.org/10.1142/S0217732315501953

Le droit d'auteur de cet article appartient totalement à notre auteur S. Aman. On n'est autorisé à le réutiliser qu'en accordant un crédit approprié soit à lui, soit à nous.


Astronomie : étoile noire (matière noire)

UNE étoile Noire est un type d'étoile qui a pu exister tôt dans l'univers avant que les étoiles conventionnelles ne puissent se former et prospérer. Les étoiles seraient composées principalement de matière normale, comme les étoiles modernes, mais une forte concentration de matière noire neutralino présente en elles générerait de la chaleur via des réactions d'annihilation entre les particules de matière noire. Cette chaleur empêcherait de telles étoiles de s'effondrer dans les tailles relativement compactes et denses des étoiles modernes et empêcherait donc le début de la fusion nucléaire entre les atomes de matière «normaux». Ώ]

Selon ce modèle, une étoile noire devrait être un énorme nuage d'hydrogène moléculaire et d'hélium d'un diamètre compris entre 4 et 2 000 unités astronomiques et avec une température de surface et une luminosité suffisamment faibles pour que le rayonnement émis soit invisible à l'œil nu. ΐ]

Dans le cas improbable où des étoiles noires auraient perduré jusqu'à l'ère moderne, elles pourraient être détectables par leurs émissions de rayons gamma, de neutrinos et d'antimatière et seraient associées à des nuages ​​​​d'hydrogène moléculaire froid qui n'abriteraient normalement pas une telle énergie, extrême, et des particules rares. Α] ΐ]


Le télescope spatial Fermi découvre des liens possibles avec la matière noire à Andromède

L'excès de rayons gamma (représenté en jaune-blanc) au cœur de M31 laisse présager des événements inattendus dans la région centrale de la galaxie. Les scientifiques pensent que le signal pourrait être produit par une variété de processus, y compris une population de pulsars ou même de matière noire.
Crédits : Collaboration NASA/DOE/Fermi LAT et Bill Schoening, Vanessa Harvey/programme REU/NOAO/AURA/NSF

Le télescope spatial Fermi Gamma de la NASA a trouvé un signal au centre de la galaxie voisine d'Andromède qui pourrait indiquer la présence de la substance mystérieuse connue sous le nom de matière noire. Le signal gamma est similaire à celui observé par Fermi au centre de notre propre galaxie de la Voie lactée.

Les rayons gamma sont la forme de lumière la plus énergétique, produite par les phénomènes les plus énergétiques de l'univers. Ils sont courants dans les galaxies comme la Voie lactée car les rayons cosmiques, des particules se déplaçant près de la vitesse de la lumière, produisent des rayons gamma lorsqu'ils interagissent avec les nuages ​​de gaz interstellaires et la lumière des étoiles.

Étonnamment, les dernières données de Fermi montrent que les rayons gamma dans Andromède — également connu sous le nom de M31 — sont confinés au centre de la galaxie au lieu de se propager partout. Pour expliquer cette distribution inhabituelle, les scientifiques proposent que l'émission puisse provenir de plusieurs sources indéterminées. L'un d'eux pourrait être la matière noire, une substance inconnue qui constitue la majeure partie de l'univers.

"Nous nous attendons à ce que la matière noire s'accumule dans les régions les plus intimes de la Voie lactée et d'autres galaxies, c'est pourquoi trouver un signal aussi compact est très excitant", a déclaré le scientifique principal Pierrick Martin, astrophysicien au National Center for Scientific Research and the Research. Institut d'Astrophysique et de Planétologie à Toulouse, France. "M31 sera une clé pour comprendre ce que cela signifie à la fois pour Andromède et la Voie lactée."

Un article décrivant les résultats paraîtra dans un prochain numéro de The Astrophysical Journal.

Une autre source possible de cette émission pourrait être une riche concentration de pulsars au centre de M31. Ces étoiles à neutrons en rotation pèsent jusqu'à deux fois la masse du Soleil et font partie des objets les plus denses de l'univers. Une cuillère à café de matière d'étoile à neutrons pèserait un milliard de tonnes sur Terre. Certains pulsars émettent la majeure partie de leur énergie en rayons gamma. Parce que M31 est à 2,5 millions d'années-lumière, il est difficile de trouver des pulsars individuels. Pour tester si les rayons gamma proviennent de ces objets, les scientifiques peuvent appliquer ce qu'ils savent sur les pulsars des observations dans la Voie lactée aux nouvelles observations radiographiques et radio d'Andromède.

Maintenant que Fermi a détecté une signature de rayons gamma similaire à la fois dans M31 et dans la Voie lactée, les scientifiques peuvent utiliser ces informations pour résoudre les mystères des deux galaxies. Par exemple, M31 émet peu de rayons gamma depuis son grand disque, où se forment la plupart des étoiles, ce qui indique que moins de rayons cosmiques y circulent. Parce que les rayons cosmiques sont généralement considérés comme liés à la formation d'étoiles, l'absence de rayons gamma dans les parties externes de M31 suggère soit que la galaxie produit des rayons cosmiques différemment, soit qu'ils peuvent s'échapper plus rapidement de la galaxie. L'étude d'Andromède peut aider les scientifiques à comprendre le cycle de vie des rayons cosmiques et comment il est lié à la formation des étoiles.

"Nous ne comprenons pas pleinement les rôles que jouent les rayons cosmiques dans les galaxies, ni comment ils les traversent", a déclaré Xian Hou, astrophysicien aux observatoires du Yunnan, Académie chinoise des sciences à Kunming, en Chine, également scientifique principal dans ce travail. "M31 nous permet de voir comment les rayons cosmiques se comportent dans des conditions différentes de celles de notre propre galaxie."

La découverte similaire dans la Voie lactée et M31 signifie que les scientifiques peuvent utiliser les galaxies comme modèles les unes pour les autres lors d'observations difficiles. Alors que Fermi peut faire des observations plus sensibles et détaillées du centre de la Voie lactée, sa vue est partiellement obscurcie par l'émission du disque de la galaxie. Mais les télescopes voient Andromède d'un point de vue extérieur impossible à atteindre dans la Voie lactée.

"Notre galaxie est tellement similaire à Andromède, cela nous aide vraiment à pouvoir l'étudier, car nous pouvons en apprendre davantage sur notre galaxie et sa formation", a déclaré la co-auteure Regina Caputo, chercheuse au Goddard Space Flight Center de la NASA à Ceinture de verdure, Maryland. "C'est comme vivre dans un monde où il n'y a pas de miroirs mais où vous avez un jumeau, et vous pouvez voir tout ce qui est physique chez le jumeau."

Bien que davantage d'observations soient nécessaires pour déterminer la source de l'excès de rayons gamma, la découverte fournit un point de départ passionnant pour en savoir plus sur les deux galaxies, et peut-être sur la nature encore insaisissable de la matière noire.

"Nous avons encore beaucoup à apprendre sur le ciel des rayons gamma", a déclaré Caputo. "Plus nous avons d'informations, plus nous pouvons mettre d'informations dans les modèles de notre propre galaxie."


Les astronomes repèrent la jeune étoile la plus solitaire

Une équipe internationale d'astronomes dirigée par le scientifique de la Texas Tech University, le Dr Christopher Britt, a repéré une très jeune étoile, appelée CXOGBS J173643.8-282122 (CX330 en abrégé), dans une zone éloignée de l'endroit où les étoiles se forment normalement.

Comparison of CX330 brightness before (left) and after outburst. Image credit: C.T. Britt et al.

CX330 was detected as an X-ray source in 2009 by NASA’s Chandra X-Ray Observatory while surveying the bulge in the central region of the Milky Way.

Further observations indicated this object was emitting optical light as well. With only these clues, scientists had no idea what this object was.

But when Dr. Britt and co-authors examined infrared images of the same area taken with NASA’s Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE), they realized this object has a lot of warm dust around it, which must have been heated by an outburst.

Comparing WISE data from 2010 with Spitzer Space Telescope data from 2007, they determined CX330 likely is a young star that has been outbursting for several years. In fact, in that three-year period, its brightness had increased a few hundred times.

The team gathered data about the star from a variety of other observatories, including the ground-based SOAR, Magellan, and Gemini telescopes. They also measured the intensity of light emitted from CX330. By combining the different perspectives on the object, a clearer picture emerged.

“We tried various interpretations for it, and the only one that makes sense is that this rapidly growing young star is forming in the middle of nowhere,” Dr. Britt said.

CX330’s behavior is remarkably similar to FU Orionis, a young outbursting star that had an initial three-month outburst in 1936-37 and whose bright emissions have been fading ever since. CX330 is fading as well, but its brightness hasn’t fallen more than a factor of 10 since its peak in 2010 or 2011.

This star is more compact, hotter and likely more massive than the FU Orionis-like objects, launching faster outflows slamming into the gas and dust around it.

“The disk has probably heated to the point where the gas in the disk has become ionized, leading to a rapid increase in how fast the material falls onto the star,” said team member Dr. Tom Maccarone, also from Texas Tech University.

Most puzzling to the team, FU Orionis and the stars like it – there are only about 10 of them – are located in starburst regions.

That’s because young stars form and feed from their surroundings, which are the gas- and dust-rich regions in star-forming clouds.

By contrast, the region of star formation closest to CX330 is several hundred light-years away. If our Sun were this isolated, the nearest star-forming region would be near Orion.

“CX330 is both more intense and more isolated than any of these young outbursting objects that we’ve ever seen,” said team member Dr. Joel Green, from the Space Telescope Science Institute.

“This could be the tip of the iceberg – these objects may be everywhere.”

In fact, it is possible all stars go through this dramatic stage of development in their youth, but many of the outbursts are too short in cosmological time for humans to observe.

How did CX330 become so isolated? The scientists aren’t sure.

One idea is that this star was born in a star-forming region but was ejected into its present lonely pocket of our Galaxy.

“This is unlikely,” the astronomers said. “Because CX330 is in a youthful phase of its development – likely less than 1 million years old – and still is eating its surrounding disk, it must have formed near its present location in the sky.”

“If it had migrated from a star-forming region, it couldn’t get there in its lifetime without stripping its disk away entirely.”

CX330 also may help scientists study how stars form under different circumstances.

One scenario suggests stars form through turbulence. In this ‘hierarchical’ model, a critical density of gas in a cloud causes the cloud to gravitationally collapse into a star.

A different model, called ‘competitive accretion,’ claims stars begin as low-mass cores that fight over the mass of material left in the cloud.

CX330 more naturally fits into the first scenario, as the turbulent circumstances would theoretically allow for a lone star to form.

It is still possible other intermediate- to low-mass stars are in the immediate vicinity of CX330 but have not been detected yet.


Is Dark Matter Required For Life To Exist?

Image credit: The Marenostrum Numerical Cosmology Project, with acknowledgment to Arman Khalatian . [+] and Klaus Dolag.

Dark matter is the most mysterious, non-interacting substance in the Universe. Its gravitational effects are necessary to explain the rotation of galaxies, the motions of clusters, and the largest scale-structure in the entire Universe. But on smaller scales, it's too sparse and diffuse to impact the motion of the Solar System, the matter here on Earth, or the origin and evolution of humans in any meaningful way. Yet the gravity that dark matter provides is an absolute necessity for allowing our galaxy to hold onto the raw ingredients that made life like us and planets like Earth possible at all. Without dark matter, the Universe would likely have no signs of life at all.

Image credit: M. Cappellari and the Sloan Digital Sky Survey.

Stars make up 100% of the light we observe in the Universe, but only 2% of the mass. When we look at the motions of galaxies, clusters and more, we find that the amount of gravitational mass outweighs the stellar mass by a factor of fifty. You might think, however, that other types of normal matter could account for this difference. After all, we’ve discovered lots of other types of matter in the Universe besides stars, including:

  • stellar remnants like white dwarfs, neutron stars and black holes,
  • asteroids, planets and other objects with masses too low (like brown dwarfs) to become stars,
  • neutral gas both within galaxies and in the space between them,
  • light-blocking dust and nebulous regions,
  • and ionized plasma, found mostly in the intergalactic medium.

All of these forms of normal matter — or matter originally made of the same things we are: protons, neutrons and electrons — do in fact contribute to what’s there, with gas and plasma in particular each contributing more than the sum total of all the stars in the Universe. But even adding all these components together only gets us up to about 15-to-17% of the total amount of matter we need to explain gravitation. For the rest of the motions that we see, we need a new form of matter that isn’t just different from protons, neutrons and electrons, but that doesn’t match up with any of the known particles in the Standard Model. We need some type of matière noire.

Images credit: X-ray: NASA/ CXC/UVic./A.Mahdavi et al. Optical/Lensing: CFHT/UVic./A.Mahdavi et al. . [+] (top left) X-ray: NASA/CXC/UCDavis/W.Dawson et al. Optical: NASA/STScI/UCDavis/ W.Dawson et al. (top right) ESA/XMM-Newton/F. Gastaldello (INAF/IASF, Milano, Italy)/CFHTLS (bottom left) X-ray: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (University of California, Santa Barbara), and S. Allen (Stanford University) (bottom right). These colliding galaxy clusters show a clear separation between the normal matter (in pink) and the gravitational effects (in blue).

A minority group of scientists favor not adding some unseen source of mass, but to rather modify the laws of gravitation instead. These models all have difficulties, including the inability to reproduce the full suite of observations, including individual galaxies moving within clusters, the cosmic microwave background, galaxy cluster collisions (above) the grand cosmic web or the patterns observed in the large-scale structure of the Universe. But there’s an important piece of evidence that points to the existence of dark matter that you might not expect: our very existence .

The Grand Canyon's 23rd Annual Star Party in 2013. Image credit: NPS photo by Michael Quinn, under a . [+] cc by 2.0 generic license.

It might surprise you to learn that we don’t just need dark matter to explain astrophysical phenomena like galactic rotation, cluster motions and collisions, but to explain the origin of life itself!

To understand why, all you need to remember is that the Universe began from a hot, dense state — the hot Big Bang — where everything started off as a mostly uniform sea of individual, free, high-energy particles. As the Universe expands and cools, we can form protons, neutrons, and the lightest nuclei (hydrogen, deuterium, helium and a trace amount of lithium), but nothing else. It isn’t until tens or even hundreds of millions of years later that matter will collapse into dense enough regions to form stars and what will eventually become galaxies.

All of this will happen just fine, albeit differently in detail, whether there were plenty of dark matter or none at all. But in order to make the elements necessary for life in great abundance — elements like carbon, oxygen, nitrogen, phosphorous and sulphur — they need to be forged in the cores of the most massive stars in the Universe. They do us no good in there, though in order to enable the creation of rocky planets, organic molecules and (eventually) life, they need to eject those heavier atoms back into the interstellar medium, where they can be recycled into future generations of stars. To do that, we need a supernova explosion.

Image credit: NASA / JPL-Caltech / O. Krause et al., combining Hubble (visible), Spitzer (IR) and . [+] Chandra (X-ray) data.

But we’ve observed these explosions in great detail, and in particular, we know how quickly this material gets ejected from the stars in their death throes: on the order of a thousand kilometers per second . (The Cas A supernova remnant has ejecta leaving it between a whopping 5,000 and 14,500 km/s!) While this may not sound like cette big a number, especially compared to the speed of light, remember that our own star orbits the Milky Way at only some 220 km/s. In fact, if the Sun were to move even three times as fast as that, we’d find ourselves — today — escaping well beyond our galaxy’s gravitational pull.

A supernova remnant might see the fastest of its ejecta leave the luminous, star-based part of the galaxy, but combined with the intense gravitational pull of a diffuse, extended halo of dark matter, we’ll keep most of that mass inside our own galaxy. Over time, it will fall back towards the normal-matter-rich regions, form neutral, molecular clouds, and participate in subsequent generations of stars, planets, and more interesting, organic molecular combinations.

Image credit: ESO/L. Calçada, of the illustration of the dark matter halo surrounding the luminous . [+] disk of our galaxy.

But without the additional gravitation of a massive dark matter halo surrounding a galaxy, the overwhelming amount of material ejected from a supernova would escape from galaxies forever. It would wind up floating freely in the intergalactic medium, never to become incorporated into future generations of star systems. In a Universe without dark matter, we’d still have stars and galaxies, but the only planets would be gas giant worlds, with no rocky ones, no liquid water, and insufficient ingredients for life as we know it. Without the copious amounts of heavy elements provided by generations of massive stars, molecule-based life like us would never have come to be.

The Cigar Galaxy, M82, and its supergalactic winds that would drive all this matter out of the . [+] galaxy itself, were it not for dark matter. Image credit: NASA, ESA, The Hubble Heritage Team, (STScI / AURA) Acknowledgement: M. Mountain (STScI), P. Puxley (NSF), J. Gallagher (U. Wisconsin).

It’s only the presence of these massive dark matter halos, surrounding our galaxies, that allow the carbon-based life that took hold on Earth — or a planet like Earth, for that matter — to even be a possibility within our Universe. As we’ve come to understand what makes up our Universe and how it came to be the way it is, we’re left with one inescapable conclusion: dark matter is absolutely necessary for the origin of life. Without it, the chemistry that underlies it all — the heavy, complex elements, the ingredients necessary for biology in the first place, and the rocky planets that life takes hold on — could never have occurred at all.


The Opposite of Missing Satellites

By coincidence, the dark matter “problem” that Meneghetti and colleagues have uncovered is the exact opposite of a decade-old, now-solved predicament known as the “missing satellite problem.”

Earlier on, cosmological simulations had modeled only the behavior of dark matter, as that’s what dominates the universe gravitationally. But those simulations predicted that galaxies like the Milky Way ought to have way more satellites. Even as telescopes improved and astronomers discovered additional, fainter dwarf galaxies, they weren’t enough to make up the difference. It wasn’t until simulations began taking regular ol’ matter into account — including all the bombastic effects of supernovae, jet-throwing black holes, and all the rest — that the predicted numbers began matching observations.

Now, though, astronomers have the opposite problem – there are too many subhalos instead of too few. But it’s also on an entirely different scale — galaxy clusters instead of galaxies, massive subhalos instead of minuscule ones.

“The missing satellites problem deals with the small-mass subhalos in galaxies,” Meneghetti says, “while here we are looking at the highest mass tail of the subhalo distribution.”

Still, the analogy suggests that this new “problem” might help us learn more about dark matter. “There are many issues related to galaxy formation and evolution in cluster environments in the context of other dark matter models that are yet unexplored,” Meneghetti says, “in particular regarding the interplay between ordinary and dark matter.”

For now, there’s more work to be done in extending the analysis to additional clusters, not to mention exploring other dark matter candidates. And in the years to come, the European Space Agency’s Euclid mission, the Vera C. Rubin Observatory, and NASA’s Nancy Grace Roman Space Telescope will offer the opportunity to probe the dark matter structure of galaxy clusters as never before. Says Meneghetti, “These observations will be a gold mine for us!”