Les galaxies peuvent exister sans matière noire. Nous vous disons comment cela est possible

Qu'est-ce que la matière noire?

Matière noire en astronomie et cosmologie, ainsi qu'en physique théorique - forme

matière ne participant pas au rayonnement électromagnétiqueinteraction et donc inaccessible à l’observation directe. Elle représente environ un quart de la masse-énergie de l’Univers et se manifeste uniquement par une interaction gravitationnelle.

Le concept de matière noire est introduit pour la théorieexplications du problème de la masse cachée dans les effets de la vitesse de rotation anormalement élevée des régions extérieures des galaxies et de la lentille gravitationnelle (elles impliquent une matière dont la masse est bien supérieure à la masse de la matière visible ordinaire); parmi les autres, c'est le plus satisfaisant.

La composition et la nature de la matière noire sur le réelmoment inconnu. Dans le cadre du modèle cosmologique généralement accepté, le modèle de la matière noire froide est considéré comme le plus probable. Les wimps sont les candidats les plus probables pour le rôle des particules. Malgré des recherches actives, ils n'ont pas encore été trouvés expérimentalement.

Le terme « matière noire » lui-même pourrait être le premiera été utilisé pour estimer la masse des étoiles dans la galaxie en fonction de la distribution de leurs vitesses. Finalement, le terme a commencé à être utilisé précisément dans le sens de matière inobservable, dont l'existence ne peut être jugée que par son effet gravitationnel.

Carte tridimensionnelle de la distribution de la matière noire, construite selon la méthode de lentille gravitationnelle faible dans le cadre du projet COSMOS.

Théories alternatives de l'existence de la matière noire

  • Théories alternatives de la gravité

En essayant d'expliquer les phénomènes observés,Sur la base de laquelle, dans l'ensemble, une conclusion a été tirée sur la nécessité de l'existence de la matière noire, sans impliquer ce concept, des considérations ont d'abord été exprimées concernant la validité des lois généralement acceptées de l'interaction gravitationnelle à grande distance.

Le plus connu est le modifiéLa dynamique newtonienne (MOND) est une théorie proposée au début des années 1980 par l'astrophysicien israélien Mordechai Milgrom. Il s'agit d'une modification de la loi de la gravité qui produit des interactions plus fortes dans certaines régions de l'espace d'une manière qui explique la forme observée des courbes de rotation des galaxies. .

En 2004, le physicien théoricien YaakovBekenstein, également originaire d'Israël, a développé une généralisation relativiste de cette hypothèse - la théorie tenseur-vecteur-scalaire de la gravité, qui explique également les effets observés de la lentille gravitationnelle.

De plus, en 2007, le physicien canadien John Moffat a proposé sa théorie de la gravité modifiée, également appelée théorie de la gravité scalaire-tenseur-vecteur.

Partisans des théories de la gravité modifiéeconsidèrent le manque actuel de résultats positifs des expériences de détection directe de particules de matière noire comme un argument en leur faveur. 

Pendant ce temps, actuellement la plupart des scientifiquesne reconnaît pas MOND, car les calculs basés sur celui-ci indiquent son incohérence. Le problème des théories alternatives de la gravité est que même si elles justifient les effets individuels qui sont les conséquences de l’existence de la matière noire, elles ne les prennent toujours pas en compte dans leur ensemble.

Ils n'expliquent pas le comportement observédes amas de galaxies en collision et sont incompatibles avec les arguments cosmologiques pour la présence de grandes quantités de matière invisible non baryonique dans l'univers primitif.

Abell 2218 Amas de galaxies

  • Cosmologie du plasma

Cette théorie a été développée dans les années 1960par un physicien suédois nommé Hannes Alfven (lauréat du prix Nobel 1970 pour les découvertes en magnétodynamique) - ce faisant, il a utilisé l'expérience de ses études sur le plasma proche de la Terre (aurore boréale) et les premiers travaux de Christian Birkeland.

La base de la théorie est l'hypothèse selon laquelleLes forces électriques sont plus importantes à grande distance (échelle des galaxies et amas de galaxies) que la gravité. Si nous supposons que le plasma remplit l’univers entier et possède une bonne conductivité, il pourrait alors conduire d’énormes courants électriques (environ 1 017 à 1 019 ampères) sur des échelles de plusieurs dizaines de mégaparsecs.

De tels courants créent un puissant champ magnétique galactique, qui à son tour forme la structure des galaxies et de leurs amas (fils ou filaments galactiques).

La présence d'un champ aussi puissant explique facilementla formation des bras galactiques (il n'y a pas encore de consensus sur la raison de la formation des bras galactiques), la répartition de la vitesse de rotation des disques galactiques à partir du rayon, élimine la nécessité d'introduire un halo de matière noire.

Mais pour le moment, l'astrophysique moderne n'observe pas de courants aussi puissants à l'échelle de plusieurs dizaines de mégaparsecs, ni de champs magnétiques intergalactiques et intragalactiques élevés.

Hypothèses de la cosmologie du plasma surLa structure cellulaire filamenteuse et l'homogénéité de l'Univers à grande échelle (appelée structure à grande échelle de l'univers), élaborées par Alfvén et Anthony Perrat, ont été confirmées de manière inattendue par des observations de la fin des années 1980 et des années 1990, mais ces observations sont également expliqué dans le cadre de modèles cosmologiques généralement acceptés.

Expliquer la structure filamenteuse de l'Univers enActuellement, la théorie de la formation de filaments due à l'instabilité gravitationnelle est utilisée (initialement, une distribution de masse presque uniforme est concentrée sur les caustiques et conduit à la formation de filaments), sur des structures en croissance de matière noire, le long desquelles la structure du visible de la matière se forme (l'origine d'une telle structure de matière noire s'explique par des fluctuations quantiques en cours d'inflation).

Actuellement, la cosmologie plasmatique commela théorie est impopulaire, car elle nie le développement de l'Univers sur le chemin du Big Bang. D'autre part, si nous abandonnons la théorie du Big Bang et considérons l'âge de l'Univers comme bien supérieur à 13,5 milliards d'années, alors la masse latente peut être largement expliquée par des objets MACHO tels que les naines noires, qui évoluent à partir de naines blanches qui se sont refroidis pendant des dizaines de milliards d'années ...

  • Matière d'autres dimensions (univers parallèles)

Certaines théories extra-dimensionnelles acceptent la gravité comme un type unique de force pouvant agir sur notre espace extra-dimensionnel.

Cette hypothèse aide à expliquerla faiblesse relative de l'interaction gravitationnelle par rapport aux trois autres interactions de base (électromagnétique, forte et faible): la gravité est plus faible, puisqu'elle peut interagir avec de la matière massive dans des dimensions supplémentaires, pénétrer une barrière inaccessible aux autres interactions.

Il s’ensuit que l’effet de matière noire peuts'expliquer logiquement par l'interaction de la matière visible de nos dimensions ordinaires avec de la matière massive provenant d'autres dimensions (extra, invisibles) par gravité. En même temps, ces dimensions et cette matière en elles ne peuvent en aucun cas ressentir d'autres types d'interactions, ne peuvent pas interagir avec elles.

La matière dans d'autres dimensions (en fait dansUnivers parallèle) peuvent se former en structures (galaxies, amas de galaxies, filaments) d'une manière similaire à nos mesures ou former leurs propres structures exotiques, qui dans nos mesures sont ressenties comme un halo gravitationnel autour des galaxies visibles.

Résultats de la modélisation numérique de l'évolution de la structure de l'Univers

  • Défauts d'espace topologique

La matière noire peut juste être primordiale(survenant au moment du Big Bang) des défauts dans l'espace et / ou la topologie des champs quantiques, qui peuvent contenir de l'énergie, provoquant ainsi des forces gravitationnelles.

Cette hypothèse peut être explorée etvérifié à l'aide d'un réseau orbital de sondes spatiales (autour de la Terre ou dans le système solaire) équipées d'une horloge atomique précise et synchronisée en continu (par GPS) qui enregistrera le passage d'un tel défaut topologique à travers ce réseau.

L'effet apparaîtra comme inexpliqué (communraisons relativistes) inadéquation du cours de ces horloges, qui a un début clair et, avec le temps, une fin (en fonction du sens du mouvement et de la taille d'un tel défaut topologique).

Galaxie sans matière noire

Les scientifiques découvrent des galaxies sans matière noire, mais il est impossible d’expliquer comment elles se sont formées.

  • NGC1052-DF2

Dans la galaxie NGC1052-DF2, il y a au moins 400 fois moins de matière noire qu’il ne devrait y en avoir.

Résultats des mesures effectuées à l'aideLe télescope de 10 mètres de l'observatoire Keck et le télescope spatial Hubble (ce sont les meilleurs instruments astronomiques disponibles aujourd'hui) admettent également qu'il n'y a aucune matière noire dans NGC1052-DF2.

Cette galaxie, visible uniquement à travers de grands télescopes,a une luminosité totale de 100 millions d'étoiles comme le Soleil, et sa masse est environ 200 millions de fois supérieure à la masse du Soleil - selon ces paramètres, NGC1052-DF2 ne se démarque pas trop de la série générale.

Mais ce qui se trouve à l'intérieur de ses dixdes objets relativement brillants, et de ce fait, dans un certain nombre d'images, la galaxie se révèle être un ensemble de points lumineux au lieu d'un nuage flou, est déjà un fait beaucoup plus intéressant; c'est lui qui a forcé les astronomes à déployer des télescopes avec un horaire de travail serré vers NGC1052-DF2.

Selon les chercheurs, ces points lumineuxsont des amas d'étoiles globulaires, mais leur nombre et la répartition de leurs luminosités sont si inhabituels que les astronomes ont même refusé de parler en détail de ces objets dans cette publication et ont promis d'y revenir plus en détail dans une autre publication, encore en préparation.

 Si l'on compare NGC1052-DF2 avec d'autresgalaxies de même masse, alors le halo invisible de matière noire devrait être quatre cents fois plus lourd que ce que trouvent les astronomes, un résultat extrêmement inhabituel.

  • NGC 1052-DF4

Les scientifiques décrivent les résultats d'autresdes observations qui ont permis de réaliser des estimations plus fiables de la dispersion des vitesses sur la base des mouvements stellaires. En conséquence, les astronomes ont obtenu une valeur de 8,5 kilomètres par seconde avec des erreurs nettement inférieures (environ 30 %).

De ces données, il s'ensuit que la masse totalela galaxie est approximativement égale à la masse de la substance lumineuse, ce qui élimine la nécessité d'introduire de la matière noire dans ce cas. Les scientifiques ont également découvert à proximité une galaxie similaire NGC 1052-DF4, qui présentait également une dispersion extrêmement faible des vitesses stellaires - environ 4,2 kilomètres par seconde, mais les erreurs dans ce cas sont d'environ 80%.

Selon les auteurs, les données obtenues sont élevéesCes qualités fournissent des preuves irréfutables de l’existence non seulement d’une galaxie exceptionnelle sans matière noire, mais également d’une nouvelle classe d’objets similaires.

Ils vous rappellent également que ces résultats ne sont pasen aucun cas réfuter l'hypothèse de la matière noire, mais au contraire confirmer sa nécessité: si les effets décrits par celle-ci étaient réellement générés par la matière ordinaire, alors une telle situation ne pourrait pas se produire, et puisqu'un objet sans matière noire est trouvé , alors cela parle précisément de l'existence de deux types distincts de substances qui ne sont pas directement liées.

Comment les galaxies peuvent-elles exister sans matière noire?

Des galaxies qui, à en juger par les observations,ne contiennent pratiquement pas de matière noire - une substance qui interagit faiblement avec la matière environnante, considérée comme responsable de 26,8 % de la masse de l'Univers - compliquent la compréhension des astronomes sur la nature de cette matière.

Ces objets découverts à la suite de récentsCes observations remettent en question le modèle cosmologique Lambda-CDM adopté par les astrophysiciens, selon lequel toutes les galaxies devraient être entourées d'un halo massif de matière noire.

Les objets sans matière noire ne sont pas trèsbien étudié par les astronomes. Une façon d'étudier les mécanismes possibles de leur formation est d'en observer plusieurs à différents stades de développement. Le traitement des informations sur les galaxies à l'aide d'un modèle informatique permet de retracer leur évolution.

Afin de comprendre la structure de cesobjets, les scientifiques ont modélisé leur évolution à l'aide du modèle Illustris, qui prend en compte les cycles de vie des étoiles, l'influence des supernovae et des trous noirs, et les fusions de galaxies. Les chercheurs ont trouvé dans le système créé par le modèle, plusieurs «galaxies naines» avec le même nombre d'étoiles, le nombre d'amas globulaires et la masse de matière noire.

Comme son nom l'indique, une galaxie naineest petite et se compose de plusieurs milliards d’étoiles. En revanche, la Voie Lactée, autour de laquelle gravitent plus de 20 galaxies naines connues, compte entre 200 et 400 milliards d’étoiles.

Les amas globulaires sont souvent utilisés pour évaluercontenu de matière noire dans les galaxies, surtout dans les petites. Les astrophysiciens ont découvert que les galaxies naines ont perdu 90% de leur matière noire à la suite de «l'expulsion» de leur matériau constitutif par leurs propres forces gravitationnelles.

Quelle est la ligne du bas?

La découverte de trous noirs sans matière noire n'est pas possibleça veut dire que ça n'existe pas. Au contraire, une galaxie sans répartition typique des étoiles par vitesse sape les positions des théories qui tentent d'attribuer les résultats des observations à un effet universel non lié à la matière noire.

C'est en dynamique newtonienne modifiéeles étoiles devraient toujours tourner autour du centre des galaxies à peu près à la même vitesse, et NGC1052-DF2 va à l'encontre de ce modèle, qui a déjà perdu le soutien de nombreux experts.

Pour admettre l'existence d'une galaxie sans obscuritéde la matière, l'astrophysique moderne pourrait bien, tandis que l'idée que la loi de la gravitation universelle fonctionne de manière sélective dans différentes parties de l'Univers est au moins douteuse.

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