faculté des arts et des sciences département de physique astronomie extragalactique cours 10 :...

Faculté des arts et des sciencesDépartement de physique

Astronomie Astronomie ExtragalactiqueExtragalactique

Cours 10 : Matière sombre (dark Cours 10 : Matière sombre (dark matter)matter)


Matière sombre - Matière sombre - HistoriqueHistorique

1933.1933.Zwicky étudie la dynamique de Zwicky étudie la dynamique de l’amas Coma. Théo. du viriel l’amas Coma. Théo. du viriel masse est 4X plus grande que la masse est 4X plus grande que la somme des masses individuellessomme des masses individuelles

1936.1936.Smith étudie la dynamique de l’amas Smith étudie la dynamique de l’amas de la Vierge même conclusionde la Vierge même conclusion

1970.1970.Freeman analyse la courbe de Freeman analyse la courbe de rotation HI de NGC 300 autant de rotation HI de NGC 300 autant de matière sombre que de matière visiblematière sombre que de matière visible


Matière sombreMatière sombre

Il n’y a aucune raison de supposer que Il n’y a aucune raison de supposer que tous les types de matière dans l’Univers tous les types de matière dans l’Univers émettent des photons détectables:émettent des photons détectables:

1.1. Aucune raison pour que les processus Aucune raison pour que les processus de formation d’* n’aient pas produit un de formation d’* n’aient pas produit un grand nombre d’* où Mgrand nombre d’* où M** << 0.08 M 0.08 Msoleilsoleil



2.2. Si ce n’était de la transition de H à Si ce n’était de la transition de H à 21cm, on ignorerait 21cm, on ignorerait ~~10% de la 10% de la masse visible des Sp (HI)masse visible des Sp (HI)

3.3. La poussière dans les galaxies a été La poussière dans les galaxies a été découverte parce que taille des grains découverte parce que taille des grains ~~ longueurs d’onde visibles (lumière longueurs d’onde visibles (lumière pas seulement absorbée mais rougie)pas seulement absorbée mais rougie)



Masse Masse PAS CORRÉLÉEPAS CORRÉLÉE avec la lumière avec la lumière

95% lumière M95% lumière M** >> M Msoleilsoleil

Environnement du SoleilEnvironnement du Soleil

95% masse M95% masse M** << M Msoleilsoleil


Matière sombre – Matière sombre – définitiondéfinition

On appelle On appelle matière sombrematière sombre n’importe quelle forme de matière n’importe quelle forme de matière qui n’émet aucun qui n’émet aucun photon détectable photon détectable à aucune longueur d’ondeà aucune longueur d’onde (rayons- (rayons-, rayons-X, UV, visible, IR, radio, …) , rayons-X, UV, visible, IR, radio, …) du spectre électromagnétique mais du spectre électromagnétique mais dont l’existence est déduite dont l’existence est déduite uniquement par ses uniquement par ses effets effets gravitationnelsgravitationnels



Naines blanchesNaines blanches: bien qu’un grand : bien qu’un grand nombre ait pu s’être refroidies jusqu’au nombre ait pu s’être refroidies jusqu’au point d’être invisibles, elles ne sont pas point d’être invisibles, elles ne sont pas de la matière sombre pcq on peut de la matière sombre pcq on peut déduire leur présence par:déduire leur présence par:

1.1. L’étude de la densité des naines blanches p/r L’étude de la densité des naines blanches p/r aux * de la SP dans l’environnement solaireaux * de la SP dans l’environnement solaire

2.2. Soit à l’aide des théories d’évolution stellaireSoit à l’aide des théories d’évolution stellaire3.3. Soit à partir de l’histoire de formation Soit à partir de l’histoire de formation

d’étoiles dans notre environnementd’étoiles dans notre environnement


Matière sombre dans les Matière sombre dans les spiralesspirales

• Dans les régions Dans les régions intérieures, la matière intérieures, la matière visible (gaz & étoiles) visible (gaz & étoiles) suffit à expliquer les suffit à expliquer les vitesses de rotationvitesses de rotation

• À la fin du disque À la fin du disque stellaire, la matière visible stellaire, la matière visible et la matière sombre et la matière sombre contribuent à peu près contribuent à peu près également aux vitesseségalement aux vitesses

• Dans les régions Dans les régions extérieures, la masse est extérieures, la masse est totalement dominée par totalement dominée par la matière sombrela matière sombre


Matière sombre dans les Matière sombre dans les dIrrsdIrrs

• Le halo de matière Le halo de matière sombre domine à sombre domine à tous rayonstous rayons

• Il y a même plus de Il y a même plus de matière lumineuse matière lumineuse sous forme de gaz sous forme de gaz que sous forme que sous forme d’étoilesd’étoiles

• 90% de la masse est 90% de la masse est sous forme de sous forme de matière sombrematière sombre


Matière sombre dans les Matière sombre dans les amasamas

NGC 2300 (rayons-X)NGC 2300 (rayons-X)

Rayons-X = gaz chaudRayons-X = gaz chaud

Devrait se disperserDevrait se disperser

Confiné par la matière Confiné par la matière sombresombre



Type d’objet Dimension

Rapport (M/L)

% de matière sombre

Environnement solaire

100 pc 3-5 33%

Spirales 30-50 kpc 10-20 50-90%

Systèmes binaires 50-100 kpc

20-30 90%

groupes 0.5-1.5 Mpc

50-150 95%

Amas 1-5 Mpc 200-500 99%


Mass budget

• total = 1 (inflation)

• dark energy = 0.73

• matter = 0.27

• baryons = 0.044

• non-baryonic = 0.23


Candidats matière sombre


Mass budgetMass budget

• Dans les galaxies Dans les galaxies (Fukugita 2004, IAU 220):(Fukugita 2004, IAU 220):

– (étoiles) = 0.0025(étoiles) = 0.0025– (HI & He) = 0.00062(HI & He) = 0.00062

– (H(H22) = 0.00016) = 0.00016

• (galaxies) = 0.0033(galaxies) = 0.0033• galgal//baryonsbaryons = 7.5% = 7.5% DM dans les halos de galaxies DM dans les halos de galaxies

baryonsbaryons


Conclusion DM dans les Conclusion DM dans les galaxiesgalaxies

• Modèles de distribution de masse implique que Modèles de distribution de masse implique que 50-90% matière est sombre dans les galaxies50-90% matière est sombre dans les galaxies

• Matière lumineuse (étoiles & gaz) représente Matière lumineuse (étoiles & gaz) représente 7.5% baryons7.5% baryons

• Halos sombres constituent au plus 15-65% Halos sombres constituent au plus 15-65% baryonsbaryons

• Donc, pas besoin de matière non-baryonique Donc, pas besoin de matière non-baryonique pour expliquer les halos sombres des galaxies pour expliquer les halos sombres des galaxies (n’exclut pas la possibilité de matière non-(n’exclut pas la possibilité de matière non-baryonique)baryonique)


DM dans les amasDM dans les amas

• Observations X: DMObservations X: DMamasamas ~ x10 DM~ x10 DMgalaxiesgalaxies

• Baryons ne peuvent suffire, donc besoin Baryons ne peuvent suffire, donc besoin de matière non-baryonique:de matière non-baryonique:– HDM (hot dark matter): particle sans masse HDM (hot dark matter): particle sans masse

(ou masse très petite), donc se déplace ~ c (ou masse très petite), donc se déplace ~ c (ex.: neutrinos)(ex.: neutrinos)

– CDM (cold dark matter): particule CDM (cold dark matter): particule suffisamment massive pour se déplacer à des suffisamment massive pour se déplacer à des vitesses non-relativistes (ex: neutralinos)vitesses non-relativistes (ex: neutralinos)

• Différence importante pour la structure Différence importante pour la structure à grande échelle: grandes vitesses du à grande échelle: grandes vitesses du HDM dHDM détruit les structures à petites étruit les structures à petites échelles (cf.: simulations – ruled-out par échelles (cf.: simulations – ruled-out par COBE)COBE)


DM CosmologiqueDM Cosmologique

• Si inflation est correct, l’Univers est plat, Si inflation est correct, l’Univers est plat, = 1 et donc on a besoin de = 1 et donc on a besoin de

~~ 0.7 = énergie sombre 0.7 = énergie sombre


DM CosmologiqueDM Cosmologique

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