faculté des arts et des sciences département de physique astronomie extragalactique cours 5:...

Faculté des arts et des sciencesDépartement de physique

Astronomie Astronomie ExtragalactiqueExtragalactique

Cours 5: Paramètres des Cours 5: Paramètres des halos non-lumineux et halos non-lumineux et

matière sombrematière sombre


Distribution de masse

• Supposons que la masse est distribuée sphériquement, la masse intérieure à r(kpc) peut s’exprimer en terme de V(r) (km/sec):

M(r) = (2.3265 x 105).r.V2(r) Msun (1)

• Si on différencie (1) (2)local = (1.85 x 105)[V2/r2 + 2.(V/r)(dV/dr)] Msun/pc3 (2)

• Si V =cste dV/dr =0 M(r) r (r) r-2


Distribution de masse dans les galaxies spirales

• Vitesse maximum de rotation vs types

• Cercles ouverts: observations optiques

• Cercles fermés: observations HI

• Masse décroit Sa ->Sm (Brosche 1971.A&A, 13, 293)


M/L dans les galaxies• (M/L)B (r < rHO) vs types

• Sa -> Sm pop. vieille -> pop. jeune


Visible vs sombre

Puche & Carignan 1991


Kormendy, web page


Kormendy 2004 (IAU220)


Matière sombre - Matière sombre - HistoriqueHistorique

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

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

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


Matière sombreMatière sombre

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

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



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

3. La poussière dans les galaxies a été découverte parce que taille des grains ~ longueurs d’onde visibles (lumière 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 photon détectable qui n’émet aucun photon détectable à aucune longueur d’onde (rayons-à aucune longueur d’onde (rayons-, , rayons-X, UV, visible, IR, radio, …) du rayons-X, UV, visible, IR, radio, …) du spectre électromagnétique mais dont spectre électromagnétique mais dont l’existence est déduite uniquement l’existence est déduite uniquement par ses effets par ses effets gravitationnels gravitationnels



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

dans notre environnementdans notre environnement


Matière sombre dans les Matière sombre dans les spiralesspirales

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

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

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


Matière sombre dans les Matière sombre dans les dIrrsdIrrs

• Le halo de matière sombre domine à tous rayons

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

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


Matière sombre dans les Matière sombre dans les amasamas

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

Rayons-X = gaz Rayons-X = gaz chaudchaud

Devrait se disperserDevrait se disperser

Confiné par la Confiné par la matière sombrematière sombre



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 budget

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

– (étoiles) = 0.0025

– (HI & He) = 0.00062

– (H2) = 0.00016

• (galaxies) = 0.0033

• gal/baryons = 7.5%

DM dans les halos de galaxies baryons


Conclusion DM dans les galaxies

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

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

• Halos sombres constituent au plus 15-65% baryons

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


DM dans les amas

• Observations X: DMamas ~ x10 DMgalaxies

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

petite), donc se déplace ~ c (ex.: neutrinos)– CDM (cold dark matter): particule suffisamment massive pour

se déplacer à des vitesses non-relativistes (ex: neutralinos)

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


DM Cosmologique• Si inflation est correct, l’Univers

est plat, = 1 et donc on a besoin de ~ 0.7 =

énergie sombre

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