Mise à jour le 18 Juin 2009
 
 
  
CONFÉRENCE
"MATIÈRE NOIRE ET DYNAMIQUE DES GALAXIES"
Par Françoise COMBES.
Astrophysicien Observatoire de Paris
Organisée par la SAF et l'AFA, dans le cadre de l'AMA09
Au FIAP, 30 rue Cabanis, 75014 Paris (métro Glacière).
 
Le Lundi 15 Juin 2009 à 20H30
 
Photos : JPM. pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur.  Voir les crédits des autres photos et des animations.
(Françoise Combes a eu la gentillesse de nous donner sa présentation complète (en ppt), elle est disponible sur ma liaison ftp et s'appelle. MN-Combes-AMA09.ppt.. elle est dans le dossier COSMOLOGIE SAF)
Ceux qui ne possèdent pas l'application Power Point, peuvent télécharger gratuitement la visionneuse (PP viewer) qui permet de voir la présentation après installation.
 
Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.
 
 
 
 
 
BREF COMPTE RENDU
 
Encore une salle pleine pour une superbe conférence SAF/AMA consacrant cette année de l'astronomie.
 
 
 
 
C'est Philippe Morel, Président de la Société Astronomique de France (SAF) qui présente notre conférencière de ce soir.
 
Françoise Combes est astronome à l'Observatoire de Pairs, au département du LERMA : Laboratoire d'Étude du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique.
 
Rappelons qu'elle est sortie de la rue d'Ulm, les connaisseurs apprécieront!
 
 
Elle est spécialiste de la matière noire et de l'évolution des galaxies; sujets principaux de la conférence de ce soir.
 
Signalons aussi, que Françoise Combes avec C Levasseur-Regourd ont magistralement organisé la cérémonie d'ouverture de l'année de l'Astronomie à l'Unesco en Janvier 2009.
 
 
 
 
Le compte rendu sera court étant donné, que F Combes nous a donné sa présentation au téléchargement.
 
POURQUOI LA NÉCESSITÉ DE MATIÈRE NOIRE.
 
On s'en aperçoit en étudiant la rotation des galaxies, en effet il y a une différence entre les mesures de vitesse de rotation observées à différents endroits des galaxies et ce que donne le calcul de la physique actuelle.
 
 
Échelle verticale : vitesse de rotation en différents points
Échelle horizontale : distance au centre de la galaxie en kpc (1kpc = 3,6 al)
Légende :
B = vitesse des étoiles du bulbe galactique
D = vitesse des étoiles du disque
H = vitesse du halo matière noire.
La courbe en trait plein est la résultante observée, la courbe en trait plus fin est ce que l'on attendait, basé sur la matière visible uniquement (courbe képlerienne).
 
 
En fait les étoiles tournent trop vite pour rester ainsi captives du centre de la galaxie, il doit y avoir autre chose d'invisible de présent. Ce serait la matière sombre (dark matter).
(C'est Fritz Zwicky qui le premier soupçonna ce phénomène dans les années 1930, mais comme il avait un caractère, disons un peu spécial, on ne le prit pas au sérieux).
 
On remarque aussi par exemple que dans la galaxie M 83, l'Hydrogène atomique (appelé HI), qui est un traceur de la matière sombre, est bien plus large (en IR, vue de droite) que la galaxie vue dans le visible.
 
De même la matière noire est bien plus importante dans les amas de galaxies, comme on le remarque dans cet amas du Coma sur lequel d'ailleurs Zwicky avait travaillé.
 
Plus récemment les lentilles gravitationnelles nous aident à trouver de la matière noire, en effet, ces lentilles (une des conséquences de la relativité générale d'Einstein), qui sont des accumulations de matière invisible, situées entre des galaxies lointaines et nous, jouent le rôle d'une véritable lentille optique, donnant lieu à toutes sortes d'images en fonction des types de galaxies, positions et masse de matière. Notamment des mirages ou des anneaux d'Einstein.
 
Les astronomes de l'Arizona, se sont intéressés aux phénomènes produits par ces lentilles et ont mis au point un site dédié; c'est le CASTLES (châteaux en français, mais cela veut dire : CfA-Arizona Space Telescope LEns Survey of gravitational lenses).
 
Voici d'ailleurs leur emblème : la déformation d'un château par une lentille gravitationnelle.
 
 
Image originale (sans lentille gravitationnelle)
Photo credit: Smithsonian Photo by Eric Long
Même image vue lorsqu'une lentille gravitationnelle (ici un trou noir de la masse de Saturne au centre) s'interpose. Photo credit: Smithsonian Photo by Eric Long
 
Bien entendu ce site n'est pas seulement intéressant pour cette image, il liste beaucoup d'images obtenus ainsi dans l'espace.
 
Cet effet s'est fait remarquer notamment avec le quasar RXJ1131-1231 où l'on remarque des images triples du quasar source ainsi qu'un anneau d'Einstein.
 
 
Il existe aussi une version "soft" de ces lentilles gravitationnelles, c'est le cisaillement cosmique (cosmic shear) ou le weak lensing, ce qui nous est expliqué lors de cette conférence de Y Mellier à la SAF.
 
C'est un outil qui nous permet aujourd’hui de cartographier la distribution de matière noire sur d’immenses fractions du ciel
 
 
Les Super Nova Ia (SNIa, chandelles standard, les phares de l'Océan Univers) sont aussi un élément important de confirmation de la nécessité d'introduire la notion de matière noire.
Pour les SNIa, ces chandelles standard, qui donnent la distance en fonction du redshift: elles donnent la loi de l'expansion en fonction du temps, et donnent donc une info qui fait intervenir a la fois la matière noire et l'énergie noire, car l'expansion et la courbure de l'univers sont dues aux deux (la matière décélère l'expansion et l'énergie noire l'accélère).
 
 
Le bruit de fond cosmologique (CMB) à 2,7K en est aussi une preuve, l'Univers est homogène et isotrope à 10-5 près !!!
 
 
Cette image de l'Univers correspond à approximativement 380.000 ans après le Big Bang, lors de ce que l'on appelle la surface de la dernière diffusion des photons, on ne verra "jamais" plus loin dans le temps, car avant l'Univers était opaque.
 
L'Univers semble plat, et la quantité de matière visible semble insuffisant pour créer les galaxies; on est obligé d'introduire une matière invisible.
Les petites anisotropies de ce CMB (voir photos de COBE et WMAP) nous renseignent sur les fluctuations ayant donné naissance aux galaxies; elles nous renseignent aussi sur la quantité de matière noire (et d'énergie noire).
 
Toutes ces informations nous donnent des contraintes sur la densité des différents composants de l'Univers, qui nous mènent à :
 
 
 
 
73% d'énergie noire (invisible!)
23% de matière noire non baryonique (invisible!)
3,6% de baryons noirs (invisible!)
0,4% de matière visible (nous, les cafards, les étoiles..)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
QUELQUES PROBLÈMES.
 
 
 
On cherche cette matière noire, mais on ne la trouve pas pour le moment.
 
En fait, que ce soit directe ou indirecte, il n'y a pas de détection convaincante.
 
Il y a aussi un autre argument, toutes les simulations faites basées sur le modèle LCDM (comme les simulations Millenium) devraient induire une formation d'une multitude de petites galaxies autour des grandes, or ce n'est pas du tout ce que l'on constate. On a en fait 100 fois moins de petits halos satellites autour des galaxies que la théorie ne le prévoit.
 
 
 
 
De même, dans ces simulations, on devrait détecter une très forte concentration de matière au centre même des galaxies, mais on ne la détecte pas en réalité quand on étudie le ciel. On a l'impression que la matière noire se détruit elle même quand elle est en quantité trop grande. C'est le problème des cuspides.
 
 
Alors, alors…
 
Y aurait-il une autre solution que la matière noire?
 
Une modification de la loi de la gravitation de Newton par exemple.
 
 
 
LA THÉORIE MOND (MODIFIED NEWTONIAN DYNAMICS) EST-ELLE UNE POSSIBILITÉ?
 
 
 
Cette théorie est censée expliquer le problème de la courbe de rotation plate des galaxies spirales que l'on expliquait jusqu'à présent avec la matière noire, comme on le voit sur cette diapo.
 
En vert, la courbe de la vitesse avec MOND; on voit que cela recouvre parfaitement les relevés.
 
 
 
 
 
 
 
Avec MOND, par exemple, on garde la loi de Newton lorsque la force de gravité est supérieure à une valeur limite.
Mais si elle est inférieure (à 2 10-10 m/s2), on passe en gravité modifiée.
Dans notre système solaire, par exemple, cette limite de gravité se situe aux alentours de 8000 UA!
 
Cette théorie repose sur la modification de la deuxième loi de la mécanique (la célèbre F = m G) aux accélérations très faibles, on passerait aux faibles accélérations de la loi en 1/r2 en une loi en 1/r, r étant la distance; la force d'attraction entre deux corps ne décroît plus comme le carré de leur distance mais comme l'inverse.
 
Les points forts de la théorie Mond :
·        Elle explique les mirages gravitationnels ;
·        Elle peut reproduire les inhomogénéités du fond diffus cosmologique, qui constitue comme un fossile de l'Univers.
·        Elle expliquerait l'anomalie des sondes Pioneer qui sont situées à plus de 100 UA et dont nous avons déjà parlée dans ces colonnes.
Mais il reste des points à expliquer dans le centre des amas qui ne sont pas en accord avec MOND, en effet il existe de la matière noire qui ne peut pas être expliquée, peut être cela vient-il des neutrinos.
 
Bref un point à éclaircir.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Le test crucial de MOND est l'interaction des galaxies, comme par exemple les célèbres Antennes.
On peut voir d'ailleurs une simulation vidéo de la collision de ces deux galaxies.
 
Comme on le voit sur cette diapo, la théorie MOND donne une image similaire à la réalité.
 
De même les galaxies naines de marée sont compatibles avec la théorie MOND. . En effet la découverte de matière noire dans les galaxies naines, semble contredire les théories standard.
 
 
 
 
 
 
Il faut voir comment cette théorie va évoluer dans les années à venir et si elle se confirme ou pas comme une amélioration de la gravité newtonienne aux faibles accélérations.
 
 
 
 
POUR ALLER PLUS LOIN.
 
 
Baryons and dark matter in outer disks par F Combes.
 
Article assez général sur la matière noire en anglais.
 
Les micro lentilles tordent l'Univers, un APOD à voir.
 
Explication très claire des micro lentilles (weak lensing) par Kikipedia.
 
Gravitational Lensing  par l'Université de Berkeley
 
Dynamique des Galaxies : Gravité newtonienne & Gravité modifiée thèse de doctorat d'Olivier Tiret. Très bon résumé détaillé des questions abordées lors de cette conférence.
 
Weak lensing http://www2.iap.fr/LaboEtActivites/ThemesRecherche/Lentilles/ImPhys/encadre1.jpg
 
Un peu de lumière sur la matière noire, présentation ppt par F Combes.
 
La matière noire et peut-on s'en passer, CR d'une conférence similaire par F Combes à la commission de cosmologie de la SAF.
 
 
 
 
 
Bon ciel à tous
 
 
Jean Pierre Martin   membre de la SAF
www.planetastronomy.com
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