Faculté des arts et des sciences Département de physique Astronomie Extragalactique Cours 10 : Matière sombre (dark matter)

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1 Faculté des arts et des sciences Département de physique Astronomie Extragalactique Cours 10 : Matière sombre (dark matter)

2 Faculté des arts et des sciences Département de physique Matière sombre - Historique 1933.Zwicky étudie la dynamique de lamas Coma. Théo. du viriel masse est 4X plus grande que la somme des masses individuelles 1936.Smith étudie la dynamique de lamas de la Vierge même conclusion 1970.Freeman analyse la courbe de rotation HI de NGC 300 autant de matière sombre que de matière visible

3 Faculté des arts et des sciences Département de physique Matière sombre Il ny a aucune raison de supposer que tous les types de matière dans lUnivers émettent des photons détectables: Il ny a aucune raison de supposer que tous les types de matière dans lUnivers émettent des photons détectables: 1.Aucune raison pour que les processus de formation d* naient pas produit un grand nombre d* où M * < 0.08 M soleil

4 Faculté des arts et des sciences Département de physique Matière sombre 2.Si ce nétait 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 donde visibles (lumière pas seulement absorbée mais rougie)

5 Faculté des arts et des sciences Département de physique Matière sombre Masse PAS CORRÉLÉE avec la lumière Masse PAS CORRÉLÉE avec la lumière 95% lumière M * > M soleil Environnement du Soleil Environnement du Soleil 95% masse M * < M soleil

6 Faculté des arts et des sciences Département de physique Matière sombre – définition On appelle matière sombre nimporte quelle forme de matière qui német aucun photon détectable à aucune longueur donde (rayons-, rayons-X, UV, visible, IR, radio, …) du spectre électromagnétique mais dont lexistence est déduite uniquement par ses effets gravitationnels On appelle matière sombre nimporte quelle forme de matière qui német aucun photon détectable à aucune longueur donde (rayons-, rayons-X, UV, visible, IR, radio, …) du spectre électromagnétique mais dont lexistence est déduite uniquement par ses effets gravitationnels

7 Faculté des arts et des sciences Département de physique Matière sombre Naines blanches: bien quun grand nombre ait pu sêtre refroidies jusquau point dêtre invisibles, elles ne sont pas de la matière sombre pcq on peut déduire leur présence par: Naines blanches: bien quun grand nombre ait pu sêtre refroidies jusquau point dêtre invisibles, elles ne sont pas de la matière sombre pcq on peut déduire leur présence par: 1.Létude de la densité des naines blanches p/r aux * de la SP dans lenvironnement solaire 2.Soit à laide des théories dévolution stellaire 3.Soit à partir de lhistoire de formation détoiles dans notre environnement

8 Faculté des arts et des sciences Département de physique Matière sombre dans les spirales Dans les régions intérieures, la matière visible (gaz & étoiles) suffit à expliquer les vitesses de rotationDans les régions intérieures, la matière visible (gaz & étoiles) suffit à expliquer les vitesses de rotation À la fin du disque stellaire, la matière visible et la matière sombre contribuent à peu près également aux vitessesÀ la fin du disque stellaire, la matière visible et la matière sombre contribuent à peu près également aux vitesses Dans les régions extérieures, la masse est totalement dominée par la matière sombreDans les régions extérieures, la masse est totalement dominée par la matière sombre

9 Faculté des arts et des sciences Département de physique Matière sombre dans les dIrrs Le halo de matière sombre domine à tous rayonsLe halo de matière sombre domine à tous rayons Il y a même plus de matière lumineuse sous forme de gaz que sous forme détoilesIl y a même plus de matière lumineuse sous forme de gaz que sous forme détoiles 90% de la masse est sous forme de matière sombre90% de la masse est sous forme de matière sombre

10 Faculté des arts et des sciences Département de physique Matière sombre dans les amas NGC 2300 (rayons-X) NGC 2300 (rayons-X) Rayons-X = gaz chaud Rayons-X = gaz chaud Devrait se disperser Devrait se disperser Confiné par la matière sombre Confiné par la matière sombre

11 Faculté des arts et des sciences Département de physique Matière sombre Type dobjetDimensionRapport (M/L) % de matière sombre Environnement solaire 100 pc3-533% Spirales30-50 kpc10-2050-90% Systèmes binaires50-100 kpc20-3090% groupes0.5-1.5 Mpc 50-15095% Amas1-5 Mpc200-50099%

12 Faculté des arts et des sciences Département de physique Mass budget total = 1 (inflation) dark energy = 0.73 matter = 0.27 baryons = 0.044 non-baryonic = 0.23

13 Faculté des arts et des sciences Département de physique Candidats matière sombre

14 Faculté des arts et des sciences Département de physique Mass budget Dans les galaxies (Fukugita 2004, IAU 220):Dans les galaxies (Fukugita 2004, IAU 220): – (étoiles) = 0.0025 – (HI & He) = 0.00062 – (H 2 ) = 0.00016 (galaxies) = 0.0033 (galaxies) = 0.0033 gal / baryons = 7.5% gal / baryons = 7.5% DM dans les halos de galaxies baryons DM dans les halos de galaxies baryons

15 Faculté des arts et des sciences Département de physique Conclusion DM dans les galaxies Modèles de distribution de masse implique que 50- 90% matière est sombre dans les galaxiesModèles de distribution de masse implique que 50- 90% matière est sombre dans les galaxies Matière lumineuse (étoiles & gaz) représente 7.5% baryonsMatière lumineuse (étoiles & gaz) représente 7.5% baryons Halos sombres constituent au plus 15-65% baryonsHalos sombres constituent au plus 15-65% baryons Donc, pas besoin de matière non-baryonique pour expliquer les halos sombres des galaxies (nexclut pas la possibilité de matière non-baryonique)Donc, pas besoin de matière non-baryonique pour expliquer les halos sombres des galaxies (nexclut pas la possibilité de matière non-baryonique)

16 Faculté des arts et des sciences Département de physique DM dans les amas Observations X: DM amas ~ x10 DM galaxiesObservations X: DM amas ~ x10 DM galaxies Baryons ne peuvent suffire, donc besoin de matière non-baryonique: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)Différence importante pour la structure à grande échelle: grandes vitesses du HDM détruit les structures à petites échelles (cf.: simulations – ruled-out par COBE)

17 Faculté des arts et des sciences Département de physique DM Cosmologique Si inflation est correct, lUnivers est plat, = 1 et donc on a besoin de ~ 0.7 = énergie sombreSi inflation est correct, lUnivers est plat, = 1 et donc on a besoin de ~ 0.7 = énergie sombre

18 Faculté des arts et des sciences Département de physique DM Cosmologique