La vid\u00e9o de cette semaine parle d’un sujet myst\u00e9rieux et chaud : la mati\u00e8re noire !<\/p>\n
<\/iframe><\/p>\n<p>Comme toujours, allons-y pour les compl\u00e9ments, \u00e0 destination de\u00a0ceux qui s’interrogent ou veulent creuser plus loin !<\/p>\n<p>Tout d’abord, il faut reconna\u00eetre que finalement, le terme de mati\u00e8re noire (ou sombre) est plut\u00f4t mal choisi. Si l’on consid\u00e8re le fait qu’une des sp\u00e9cificit\u00e9s de cette mati\u00e8re est de ne pas interagir avec le rayonnement \u00e9lectromagn\u00e9tique (et donc la lumi\u00e8re), on devrait plut\u00f4t parler de <strong>mati\u00e8re transparente !<\/strong><!--more--><\/p>\n<h3>Le th\u00e9or\u00e8me du Viriel<\/h3>\n<p>Concernant la d\u00e9couverte de Zwicky, elle fait appel \u00e0 une notion que j’ai pass\u00e9e sous silence : <strong>le th\u00e9or\u00e8me du viriel.<\/strong> Celui-ci stipule que pour un syst\u00e8me de corps en interaction gravitationnelle, il existe une relation entre l’\u00e9nergie cin\u00e9tique totale K et l’\u00e9nergie potentielle gravitationnelle du syst\u00e8me U :<\/p>\n<p style=\"text-align:center;\">\\(K = – \\frac12 U\\)<\/p>\n<p>Vous pouvez vous convaincre que pour un simple corps en orbite autour d’un autre, cette relation est notamment valable du fait de l’\u00e9galit\u00e9 entre acc\u00e9l\u00e9ration gravitationnelle et acc\u00e9l\u00e9ration centrifuge<\/p>\n<p style=\"text-align:center;\">\\(\\frac{v^2}{R} = \\frac{GM}{R^2}\\)<\/p>\n<p>(je vous laisse multiplier chaque membre par \\(mR\/2\\))<\/p>\n<h3>Les courbes de rotation des galaxies<\/h3>\n<p>Dans le cas du syst\u00e8me solaire, je l’explique dans la vid\u00e9o, la courbe de rotation est fort simple puisqu’elle d\u00e9coule directement des consid\u00e9rations pr\u00e9c\u00e9dentes<\/p>\n<p style=\"text-align:center;\">\\(v = \\sqrt{GM\/R}\\)<\/p>\n<p>et elle est strictement d\u00e9croissante. Dans le cas d’une galaxie, c’est plus complexe, puisque la mati\u00e8re se trouve r\u00e9partie sur l’ensemble du disque (et de fa\u00e7on pas forc\u00e9ment homog\u00e8ne). Mais \u00e0 partir de la mati\u00e8re lumineuse, on peut tout de m\u00eame tracer une courbe de rotation \u00ab\u00a0k\u00e9plerienne\u00a0\u00bb qui augmente puis finit par d\u00e9croitre. Cette courbe est la courbe \u00ab\u00a0attendue\u00a0\u00bb.<\/p>\n<p>Ce qu’il y a d’\u00e9tonnant dans les observations de Vera Rubin, c’est que cette d\u00e9croissance ne se produit jamais et que la courbe de rotation stagne. On peut ensuite d\u00e9duire la distribution de mati\u00e8re noire qui est n\u00e9cessaire pour expliquer cette courbe plate (voir l\u00e9g\u00e8rement croissante comme ci-dessous pour <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/File:M33_rotation_curve_HI.gif\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">le cas de la galaxie M33<\/a>)<\/p>\n<p><a href=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2017\/02\/m33_rotation_curve_hi.gif\"><img decoding=\"async\" class=\"aligncenter size-large wp-image-8209 lazyload\" data-src=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2017\/02\/m33_rotation_curve_hi.gif?w=676\" alt=\"m33_rotation_curve_hi\" width=\"676\" height=\"449\" src=\"data:image\/svg+xml;base64,PHN2ZyB3aWR0aD0iMSIgaGVpZ2h0PSIxIiB4bWxucz0iaHR0cDovL3d3dy53My5vcmcvMjAwMC9zdmciPjwvc3ZnPg==\" style=\"--smush-placeholder-width: 676px; --smush-placeholder-aspect-ratio: 676\/449;\" \/><\/a><\/p>\n<p>J’en profite pour pr\u00e9ciser deux choses que je n’ai pas dites. Tout d’abord quand on parle de mati\u00e8re \u00ab\u00a0lumineuse\u00a0\u00bb, on peut g\u00e9n\u00e9raliser au cas des nuages de gaz (principalement de l’hydrog\u00e8ne) que l’on peut notamment observer dans certaines raies spectrales. Enfin on peut mesurer la vitesse orbitale de ces nuages par exemple par effet Doppler dans la raie \u00e0 21cm, et donc s’en servir pour \u00e9tendre les courbes de rotation au-del\u00e0 de la zone o\u00f9 il y a des \u00e9toiles (comme ci-dessus).<\/p>\n<h3>Le mod\u00e8le Lambda-CDM<\/h3>\n<div>Je n’ai pas \u00e9t\u00e9 tr\u00e8s explicite sur le sujet, mais le mod\u00e8le cosmologique en vigueur aujourd’hui s’appelle Lambda-CDM. \u00ab\u00a0Lambda\u00a0\u00bb c’est pour d\u00e9signer la constante cosmologique (aka l’\u00e9nergie noire), et CDM signifie \u00ab\u00a0Cold Dark Matter\u00a0\u00bb. Le \u00ab\u00a0Cold\u00a0\u00bb ici ne signifie pas simplement que la temp\u00e9rature actuelle de la mati\u00e8re noire soit froide, mais que sa nature est telle que lors des premiers instants du Big-Bang, elle a rapidement atteint une vitesse non-relativiste. Cette conclusion provient notamment de l’observation du spectre du rayonnement cosmologique et de l’analyse de <strong>la structure de l’Univers \u00e0 grande \u00e9chelle<\/strong>.<\/div>\n<div><\/div>\n<div>Ce dernier point est particuli\u00e8rement int\u00e9ressant : il faut savoir que l’Univers que l’on observe aujourd’hui est en r\u00e9alit\u00e9 assez h\u00e9t\u00e9rog\u00e8ne. Les galaxies et les amas de galaxies ne sont pas uniform\u00e9ment r\u00e9partis, mais la mati\u00e8re s’organise en sorte de long filament dont les intersections sont des r\u00e9gions particuli\u00e8rement riches en mati\u00e8re. C’est ce que repr\u00e9sentent les images myst\u00e9rieuses comme celle-ci :<\/div>\n<div><\/div>\n<div><a href=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2017\/02\/large-scale-2015-12-07-s-l.jpg\"><img decoding=\"async\" class=\"aligncenter wp-image-8206 lazyload\" data-src=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2017\/02\/large-scale-2015-12-07-s-l.jpg?w=676\" alt=\"large-scale-2015-12-07-s-l\" width=\"451\" height=\"338\" data-srcset=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2017\/02\/large-scale-2015-12-07-s-l.jpg 1440w, https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2017\/02\/large-scale-2015-12-07-s-l-300x225.jpg 300w, https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2017\/02\/large-scale-2015-12-07-s-l-1024x768.jpg 1024w, https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2017\/02\/large-scale-2015-12-07-s-l-768x576.jpg 768w\" data-sizes=\"(max-width: 451px) 100vw, 451px\" src=\"data:image\/svg+xml;base64,PHN2ZyB3aWR0aD0iMSIgaGVpZ2h0PSIxIiB4bWxucz0iaHR0cDovL3d3dy53My5vcmcvMjAwMC9zdmciPjwvc3ZnPg==\" style=\"--smush-placeholder-width: 451px; --smush-placeholder-aspect-ratio: 451\/338;\" \/><\/a><\/div>\n<div>Ce qu’il y a d’amusant, c’est qu’on sait que cette structure \u00e0 grande \u00e9chelle de l’Univers se trouve \u00eatre <strong>la version extr\u00eamement enfl\u00e9e d’h\u00e9t\u00e9rog\u00e9n\u00e9it\u00e9s primordiales<\/strong> issues de fluctuations quantiques amplifi\u00e9es par le Big Bang. Et pour que cette amplification ait pu avoir lieu, il est important que toute la mati\u00e8re n’ait pas \u00e9t\u00e9 baryonique. En effet le fait que 80% de la mati\u00e8re soit \u00ab\u00a0transparente\u00a0\u00bb (sans interaction \u00e9lectromagn\u00e9tique) a fait que cette mati\u00e8re a pu s’effondrer sur elle-m\u00eame plus vite que la mati\u00e8re ordinaire chaude, et servir d’amorce \u00e0 l’apparition de la structure de l’Univers \u00e0 grande \u00e9chelle.<\/div>\n<div><\/div>\n<div>En somme : si la mati\u00e8re noire \u00e9tait enti\u00e8rement baryonique, l’Univers n’aurait pas pu se former tel qu’il est aujourd’hui.<\/div>\n<h3>Les fluctuations du rayonnement de fond diffus cosmologique<\/h3>\n<div>Venons en au sujet des fluctuations du rayonnement fossile, sur lesquelles je me suis un peu gratt\u00e9 la t\u00eate pendant la pr\u00e9paration de cette vid\u00e9o. Comme je l’explique, les donn\u00e9es exp\u00e9rimentales (comme celles de la mission Planck) permettent de faire une r\u00e9gression par un mod\u00e8le \u00ab\u00a0Lambda-CDM\u00a0\u00bb dont les param\u00e8tres sont le contenu en mati\u00e8re\/\u00e9nergie de l’Univers. Ci-dessous les donn\u00e9es exp\u00e9rimentales en rouge, et le \u00ab\u00a0fit\u00a0\u00bb par un mod\u00e8le Lambda-CDM en vert :<\/div>\n<div><\/div>\n<div><a href=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2017\/02\/planck_power_spectrum_orig.png\"><img decoding=\"async\" class=\"aligncenter size-large wp-image-8210 lazyload\" data-src=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2017\/02\/planck_power_spectrum_orig.png?w=676\" alt=\"planck_power_spectrum_orig\" width=\"676\" height=\"346\" data-srcset=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2017\/02\/planck_power_spectrum_orig.png 2814w, https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2017\/02\/planck_power_spectrum_orig-300x154.png 300w, https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2017\/02\/planck_power_spectrum_orig-1024x524.png 1024w, https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2017\/02\/planck_power_spectrum_orig-768x393.png 768w, https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2017\/02\/planck_power_spectrum_orig-1536x786.png 1536w\" data-sizes=\"(max-width: 676px) 100vw, 676px\" src=\"data:image\/svg+xml;base64,PHN2ZyB3aWR0aD0iMSIgaGVpZ2h0PSIxIiB4bWxucz0iaHR0cDovL3d3dy53My5vcmcvMjAwMC9zdmciPjwvc3ZnPg==\" style=\"--smush-placeholder-width: 676px; --smush-placeholder-aspect-ratio: 676\/346;\" \/><\/a><\/div>\n<div><\/div>\n<div>Si l’on varie les param\u00e8tres du mod\u00e8le cosmologique, la courbe en vert va se d\u00e9placer. C’est en ce sens que ce fit nous renseigne sur la valeurs des param\u00e8tres cosmologiques.<\/div>\n<div><\/div>\n<div>La position du premier pic est essentiellement d\u00e9termin\u00e9e par le contenu total en mati\u00e8re et \u00e9nergie de l’Univers. Mais la taille des seconds\/troisi\u00e8me pics est sensible \u00e0 la quantit\u00e9 de mati\u00e8re noire non-baryonique, comme je le montre dans la vid\u00e9o o\u00f9 j’ai r\u00e9alis\u00e9 une animation qui passe du fit actuel (ci-dessous en bleu) \u00e0 une version sans mati\u00e8re noire (en vert, ici j’ai mis 0.3 de baryons et 0.85 de constante cosmo, je parle en fraction de la densit\u00e9 critique)<\/div>\n<div><\/div>\n<div><a href=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2017\/02\/planck-vs-sans-cdm.png\"><img decoding=\"async\" class=\"aligncenter size-full wp-image-8211 lazyload\" data-src=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2017\/02\/planck-vs-sans-cdm.png\" alt=\"planck-vs-sans-cdm\" width=\"526\" height=\"362\" data-srcset=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2017\/02\/planck-vs-sans-cdm.png 526w, https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2017\/02\/planck-vs-sans-cdm-300x206.png 300w\" data-sizes=\"(max-width: 526px) 100vw, 526px\" src=\"data:image\/svg+xml;base64,PHN2ZyB3aWR0aD0iMSIgaGVpZ2h0PSIxIiB4bWxucz0iaHR0cDovL3d3dy53My5vcmcvMjAwMC9zdmciPjwvc3ZnPg==\" style=\"--smush-placeholder-width: 526px; --smush-placeholder-aspect-ratio: 526\/362;\" \/><\/a><\/div>\n<div>L\u00e0 o\u00f9 je suis moins au clair (et j’en appelle aux bonnes volont\u00e9s) c’est que je me demande si on n’avait QUE le premier pic (ou les deux premiers), est-ce qu’il resterait une incertitude concernant la nature non-baryonique de la mati\u00e8re noire. En d’autres termes, <strong>si je limite les donn\u00e9es exp\u00e9rimentales au premier pic, est-ce que je peux trouver un fit avec un mod\u00e8le cosmologique utilisant seulement la constante cosmologique et la mati\u00e8re baryonique, mais sans mati\u00e8re noire froide ?<\/strong><\/div>\n<div><\/div>\n<div>Apr\u00e8s quelques essais avec <a href=\"https:\/\/lambda.gsfc.nasa.gov\/toolbox\/tb_camb_form.cfm\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">le site CAMB <\/a>qui permet de simuler des spectres de puissance des fluctuations \u00e0 partir des param\u00e8tres cosmologiques, j’ai l’impression qu’on ne peut pas, et donc que m\u00eame avec un seul pic on peut avoir la certitude que la mati\u00e8re noire est non-baryonique, et \u00e7a me surprend car il me semblait avoir appris que pour sp\u00e9cifiquement d\u00e9terminer le contenu en mati\u00e8re noire, il fallait le 3e pic…mais je ne demande qu’\u00e0 \u00eatre contredit !<\/div>\n<div><\/div>\n<p><span style=\"color:#0000ff;\"><em>Merci \u00e0 Agn\u00e8s Fert\u00e9 (@CosmoloGirl) et Matthieu Bethermin (@MatBethermin) pour les \u00e9changes sur le sujet via Twitter !<\/em><\/span><\/p>\n<p> <\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>La vid\u00e9o de cette semaine parle d’un sujet myst\u00e9rieux et chaud : la mati\u00e8re noire ! 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