Question:
Pourquoi la matière noire n'est-elle pas de la matière ordinaire?
Extreme Rationalist
2010-11-17 23:23:27 UTC
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Il y a plus de force gravitationnelle dans notre galaxie (et dans d'autres) qu'on ne peut l'expliquer en comptant les étoiles faites de matière ordinaire. Alors pourquoi pas beaucoup de systèmes planétaires sombres (c'est-à-dire sans étoiles) faits de matière ordinaire? Pourquoi devons-nous supposer une forme de matière non découverte et inexpliquée?

Dans le système solaire, l'étoile représente 99,8% de la masse de l'ensemble.
@JohnFx et McGarnagle: À un moment donné, les neutrinos auraient semblé être une dernière tentative pour étayer une vieille idée théorique (conservation de l'énergie / élan) que beaucoup envisageaient à l'époque d'abandonner, malgré un manque complet de preuves positives de leur existence. Ensuite, ils ont été trouvés expérimentalement. Ce n'est pas parce que quelque chose ressemble vaguement à un épisode précédent de l'histoire de la science qu'il se déroulera de la même manière. Nous sommes dans un nouveau territoire qui n'a jamais été vu auparavant. Seules de nouvelles expériences régleront la question une fois pour toutes.
Nous avons également la découverte réussie des planètes extérieures lorsque les prédictions d'orbite étaient fausses, en contraste avec la fausse prédiction de Vulcain qui a été corrigée par GR. Les deux méthodes (nouvel objet vs nouvelle théorie) ont fonctionné, et les deux ont échoué. Dire que cela rappelle une tentative antérieure ou autre est une déclaration complètement vide.
Huit réponses:
#1
+49
Dragan Huterer
2011-01-15 22:03:01 UTC
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Il y a une raison très précise pour laquelle les planètes sombres constituées de «matière ordinaire» (baryons - particules constituées de 3 quarks) ne peuvent pas être la matière noire. Il s'avère que la quantité de baryons peut être mesurée de deux manières différentes en cosmologie:

  • En mesurant les abondances actuelles de certains éléments légers (en particulier le deutérium) qui sont très sensibles à la quantité de baryon .
  • En mesurant la distribution des points chauds et froids dans le fond cosmique micro-ondes (CMB), rayonnement laissé par l'univers primitif que nous observons aujourd'hui.

Ces deux méthodes s'accordent de façon spectaculaire, et toutes deux indiquent que les baryons représentent 5% de la substance totale (énergie / matière) dans l'univers. Pendant ce temps, diverses mesures de l'amas gravitationnel (lentille gravitationnelle, rotation des étoiles autour des galaxies, etc.) indiquent toutes que la matière totale comprend 25% du total. (Les 75% restants sont dans la tristement célèbre énergie sombre qui n'est pas pertinente pour cette question particulière).

Puisque 5% est bien moins de 25%, et comme les erreurs sur ces deux mesures sont plutôt petites, nous en déduisons que la plupart du temps, environ 4/5 ths (soit 20% de 25%) est «sombre» et NON constituée de baryons.

Pourriez-vous inclure quelques références?
Une autre source de preuve est que lors de la fusion d'amas de galaxies, il a été observé que le potentiel gravitationnel est décalé du rayonnement plasma.Un article de synthèse de 2012 sur la matière noire est Roos, arxiv.org/ abs / 1208.3662.
#2
+15
Cem
2010-11-17 23:46:38 UTC
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Comme les réponses ci-dessus l'ont mentionné, la plupart des sujets ordinaires ont été considérés comme des candidats et nous sommes à peu près certains qu'il doit y avoir une sorte de matière "noire" au travail.

Premièrement, nous nous attaquons le phénomène de lentille gravitationnelle. Un exemple très célèbre est le groupe Bullet où vous pouvez clairement observer les effets d'une masse compacte agissant comme une lentille optique. Une masse d'une telle ampleur ne peut convenablement pas être un groupe de naines brunes et la plupart des trous noirs que nous observons ont de nombreux objets en orbite et un jet de particules qui les accompagne. De plus, un trou noir de petite magnitude ne suffirait pas à expliquer l'ampleur de la lentille gravitationnelle en question.

Deuxièmement, des calculs beaucoup plus compliqués faits avec les principes de la relativité générale nécessitent beaucoup plus de masse pour tenir compte de la forme actuelle et vitesse angulaire des galaxies. Il peut être facile de dire que GR est faux (ce qu'il ne faut pas dire au visage d'un physicien), même si GR est incomplet dans le sens où ce n'est pas une théorie de tout, il explique quand même la plupart des phénomènes gravitationnels plutôt bien. En outre, le fait qu'il y ait une lentille gravitationnelle signifie qu'il y a vraiment une sorte de masse ou d'attraction gravitationnelle (ou plus comme une anomalie de courbure spatio-temporelle) dans certaines parties de notre galaxie et de l'univers.

Même si la matière noire semble si mystérieuse que nous pouvons deviner la plupart de ses propriétés à partir de notre "manque de connaissances". Premièrement, comme il est "invisible" dans tout le spectre de la lumière, on peut supposer qu'il n'interagit pas via la force électromagnétique. Puisqu'il s'agit d'une fontaine de force gravitationnelle, on peut dire qu'elle interagit, surprise surprise, via la force gravitationnelle. Les calculs pour les forces faibles d'&strong sont assez compliqués et très indirects, donc je vais juste dire que la plupart des matières sombres actuellement proposées interagissent également via des forces fortes et faibles.

Un système planétaire sans étoile n'est possible que si l'étoile s'éteint pour être une étoile à neutrons, un trou noir ou une naine blanche, qui sont tous détectables d'une manière ou d'une autre.

De plus, il y a devrait être une quantité irréaliste de ces systèmes stellaires «fanés» pour même expliquer la masse perdue. Et en supposant que de tels systèmes planétaires sont assez rares, nous préférerions considérer une forme inhabituelle de matière qui est tout à fait possible et plausible si elle est trouvée.

"à supposer que de tels systèmes planétaires soient assez rares", en fait, puisque 95% de toute la matière nous est apparemment indétectable, de tels systèmes planétaires devraient être excessivement abondants, et cela aussi laisse un bon nombre de problèmes, comme le fait que le nôtrele système solaire ne semble pas perturbé par les centaines d'objets massifs qui l'entourent dans toutes les directions.
Cela devrait se lire "des centaines d'objets de masse stellaire et froids nous entourant dans toutes les directions".Ou des millions d'objets froids de masse Jupiter nous entourant dans toutes les directions.Quoi qu'il en soit, cela aura des effets plutôt extrêmes.
Cela ne répond pas à la question et est incorrect à certains égards.Par exemple, il pourrait très bien y avoir de nombreuses planètes, roches, trous noirs, etc.Ce que vous devez faire est de citer les preuves négatives des recherches de tels objets.
#3
+13
Ernie
2010-11-18 06:11:20 UTC
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Toute la matière dont nous savons l'existence (appelée matière baryonique) émet une sorte de rayonnement électromagnétique à une fréquence. Parfois, il est mesuré en rayonnement infrarouge, car la matière, quelle que soit sa température, émettra toujours une certaine quantité de chaleur. À notre connaissance, il n'est en fait pas possible de refroidir une matière à zéro absolu, et cela ne se produit certainement pas naturellement. Je crois que la matière la plus cool que l'on connaisse dans l'univers est d'environ 3 degrés Kelvin. D'autres longueurs d'onde peuvent déterminer la nature exacte de la matière en question et sa température. Par exemple, l'oxygène ionisé brille dans la lumière visible à une certaine longueur d'onde - c'est l'une des choses qui rendent les nébuleuses d'émission visibles.

Donc, après avoir mesuré toute cette matière dans d'autres galaxies, nous avons remarqué qu'il y a simplement pas assez de masse pour les empêcher de s'effondrer (à savoir, les étoiles à l'intérieur des galaxies se déplacent plus rapidement que la vitesse d'échappement de l'attraction gravitationnelle du centre de masse de la galaxie) - en particulier lorsque nous avons essayé de créer des modèles informatiques de galaxies. C'était le premier indice qu'il se passait quelque chose que nous ne comprenions pas complètement. Comme d'autres l'ont décrit, d'autres méthodes de détermination de la masse totale d'une galaxie ont donné des résultats similaires.

En conséquence, il n'y a qu'une seule explication possible à ce phénomène: il doit y avoir une sorte de matière (et tout la matière a une masse) que nous ne pouvons détecter. En fait, la quantité de masse qui ne peut pas être expliquée de cette manière est d'environ 95% de la masse d'une galaxie donnée. Bien sûr, c'est un gros problème.

En passant, nous essayons de résoudre ce très grand écart depuis 1933. La différence entre maintenant et alors est que la précision de nos mesures de vitesse des étoiles dans d'autres galaxies s'est améliorée, ainsi que notre capacité à mesurer d'autres phénomènes se produisant dans les galaxies et les amas de galaxies. Plus nous sommes devenus précis dans nos mesures, plus cet écart flagrant est devenu évident.

* les étoiles dans les galaxies se déplacent plus rapidement que la vitesse d'échappement de l'attraction gravitationnelle du centre de masse de la galaxie * Merci pour cette description concise. Ce raisonnement est-il affecté du tout par la relativité générale, étant donné que la «vitesse d'échappement» est un concept classique?
Si vous tracez le graphique de la vitesse en fonction de la distance du centre galactique, vous obtenez un graphique très différent de celui que vous obtiendriez du résultat attendu, même en utilisant la théorie de la gravité d'Einstein. Cela démontre également que la masse de la galaxie est très diffuse. Sans la masse supplémentaire, les étoiles aux extrémités de la galaxie ne feraient tout simplement pas partie de la galaxie. C'est la vitesse d'échappement. Voici un exemple de graphique: http://physics.uoregon.edu/~soper/Mass/galaxymass.html
Vous dites donc qu'il est théoriquement impossible de refroidir la matière suffisamment près du 0 absolu pour empêcher une particule d'émettre des photons?Certes, une particule ne pourrait * pas * faire cela pour toujours à cause de la conservation de l'énergie.Les trois possibilités que je peux voir sont que la particule se désintègre avant de manquer de vapeur, les particules continuent à recevoir suffisamment d'énergie pour maintenir les émissions (via CMB ou quelque chose du genre), ou que vous vous trompez, et les baryons peuvent (et sont) refroidis àassez proche du zéro absolu pour tenir compte de la matière noire.
Je pense que c'est plus à l'effet qu'il faudrait une quantité infinie d'énergie pour refroidir la matière jusqu'au zéro absolu réel.Le mieux que nous ayons pu faire jusqu'à présent a été une très petite fraction de 1 Kelvin.Et oui, il absorberait la chaleur du reste de l'univers, ou de la galaxie hôte, ou des étoiles environnantes et de la matière baryonique.À moins que la matière noire n'absorbe du tout la chaleur, auquel cas, c'est toujours une sorte de matière que nous n'avons jamais vue auparavant.
Je pense que votre réponse n'aborde pas la possibilité d'un nombre plus grand que prévu de trous noirs de masse moyenne (20-30 masse solaire).Ils n'émettraient pas de rayonnement électromagnétique mais auraient tout de même un effet sur le champ gravitationnel global de la galaxie.
#4
+12
Tim Goodman
2010-11-17 23:36:19 UTC
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La possibilité de grands objets sombres constitués de matière baryonique normale a été envisagée. On les appelle MACHOs.

Cependant, il y a plusieurs raisons de penser que la plupart de la matière noire ne peut pas être sous la forme de MACHO. Extrait de l'article wikipedia ci-dessus (qui renvoie à certains articles de revues pertinents):

Le Big Bang tel qu'il est actuellement compris ne pouvait tout simplement pas produire suffisamment de baryons sans causer de problèmes majeurs dans les abondances élémentaires observées, [6] y compris l'abondance du deutérium. [7] En outre, des observations séparées des oscillations acoustiques du baryon, à la fois dans le fond cosmique des micro-ondes et dans la structure à grande échelle des galaxies, fixent des limites rapport baryon total / matière totale. Ces observations montrent qu'une grande fraction de matière non baryonique est nécessaire indépendamment de la présence ou de l'absence de MACHO.
Les études de micro-lentilles dans les années 90 ont démontré que ces objets composent une fraction non triviale, mais sous-dominante (pas mon champ et j'ai oublié à quel point) de la masse «manquante» nécessaire pour expliquer les courbes de rotation galactique. Mais - comme vous le dites - cela ne représente qu'une très petite fraction de la masse nécessaire pour expliquer la structure à grande échelle de l'univers.
La page Wikipédia implique une logique circulaire. Notre modèle dit que vous ne pouvez pas avoir plus de baryons que ce que notre modèle prédit, donc Dark Matter ne peut pas être composé de baryons. Si le modèle était si bon, il vous indiquerait où se trouvent tous les isotopes du lithium 7.
#5
+6
gerry
2010-11-17 23:33:43 UTC
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Toutes les étoiles sombres / naines / mortes possibles, milieu interstellaire (gaz, poussière, nuage moléculaire, etc.), ont été prises en compte. Mais ils ne suffisent pas. Le reste ne peut être que quelque chose que nous ne savons jamais auparavant. Nous nous attendons à de nouvelles particules inconnues.

#6
+5
Omega Centauri
2011-01-15 21:41:04 UTC
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Le chaînon manquant majeur est l'existence d'une classe de particules, qui en dehors de la gravité interagissent suffisamment faiblement pour combler le besoin. Nous connaissons déjà un type de particule qui possède la plupart de ces caractéristiques, les neutrinos. Dans ce cas, les physiciens et les cosmologistes ont des raisons théoriques de croire que la limite supérieure de la quantité de masse dans les neutrinos est trop petite. Mais la simple existence d'une classe de particules faiblement interagissantes devrait faire paraître la possibilité d'une autre moins nouvelle.

#7
+1
ohwilleke
2016-10-13 06:16:40 UTC
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Vous pouvez estimer la masse totale en utilisant la lentille gravitationnelle et la comparer à la masse estimée d'une galaxie en additionnant les masses de toutes les étoiles visibles et en faisant des estimations généreuses d'autres types de matière ordinaire qui pourraient s'y trouver.Il y a encore un gros écart.

Si la masse supplémentaire était de la matière ordinaire, elle s'agglutinerait et elle interagirait avec les photons, ce qui conduirait tous deux à une distribution beaucoup moins diffuse que celle qui doit être supposée pour obtenir la dynamique de la galaxie.

#8
+1
Grayscale
2018-06-20 04:31:38 UTC
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En complément des autres réponses, il y a aussi un rôle que les simulations astrophysiques ont joué pour exclure les particules connues des explications de la matière noire.

Premièrement, une clarification: il y a une distinction à faire entre la matière non baryonique abordée dans la plupart des réponses et les «formes de matière non découvertes et inexpliquées». Les raisons pour lesquelles la plupart de la matière noire doit être non baryonique incluent des arguments impliquant la nucléosynthèse CMB et Big Bang, comme mentionné par d'autres. Cependant, la matière non baryonique (mais connue) telle que les saveurs connues des neutrinos semblaient être de bons candidats pour la matière noire même après que la matière baryonique ait été largement exclue. Plus tard, les neutrinos ont été exclus par d'autres sources de preuves.

L'une des premières sources de telles preuves excluant les neutrinos était en fait des simulations informatiques de la formation de structures à grande échelle. Dans un essai historique intéressant rédigé par Simon White (et publié aujourd'hui, 19/06/18 sur arXiv):

... les grands vides [trouvés dans les simulations d'univers dominés par les neutrinos] dans la distribution de la galaxie étaient incompatible même avec les données d'observation relativement maigres disponible en 1983. Cet écart a conduit à l'abandon de la neutrinos comme candidats potentiels à la matière noire, même si ce serait encore deux décennies avant d'être finalement exclus par limites supérieures de leurs masses. La démonstration qu'aucune particule connue peut expliquer la matière noire reste l'un des plus importants contributions des simulations informatiques à l'astrophysique et à la cosmologie.

Voir l'essai ici.



Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 2.0 sous laquelle il est distribué.
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