cours10

Faculté des arts et des sciences
Département de physique
Astronomie Extragalactique
Cours 10 : Matière sombre (dark matter)
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Département de physique
Matière sombre - Historique
1933.Zwicky étudie la dynamique de l’amas
Coma. Théo. du viriel
masse est 4X
plus grande que la somme des masses
individuelles
1936.Smith étudie la dynamique de l’amas de
la Vierge
même conclusion
1970.Freeman analyse la courbe de rotation
HI de NGC 300
autant de matière
sombre que de matière visible
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Matière sombre
 Il n’y a aucune raison de supposer que tous
les types de matière dans l’Univers
émettent des photons détectables:
1. Aucune raison pour que les processus de
formation d’* n’aient pas produit un grand
nombre d’* où M* < 0.08 Msoleil
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Matière sombre
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)
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Matière sombre
 Masse PAS CORRÉLÉE avec la lumière
95% lumière M* > Msoleil
 Environnement du Soleil
95% masse M* < Msoleil
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Matière sombre – définition
On appelle matière sombre n’importe
quelle forme de matière qui n’émet
aucun photon détectable à aucune
longueur d’onde (rayons-g, rayons-X,
UV, visible, IR, radio, …) du spectre
électromagnétique mais dont
l’existence est déduite uniquement
par ses effets gravitationnels
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Matière sombre
 Naines blanches: bien qu’un grand
nombre ait pu s’être refroidies jusqu’au
point d’être invisibles, elles ne sont pas
de la matière sombre pcq on peut déduire
leur présence par:
1.
L’étude de la densité des naines blanches p/r
aux * de la SP dans l’environnement solaire
2. Soit à l’aide des théories d’évolution stellaire
3. Soit à partir de l’histoire de formation
d’étoiles dans notre environnement
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Matière sombre dans les spirales
• Dans 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 vitesses
• Dans les régions
extérieures, la masse est
totalement dominée par la
matière sombre
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Matière sombre dans les dIrrs
• 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
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Matière sombre dans les amas
 NGC 2300 (rayons-X)
 Rayons-X = gaz chaud
 Devrait se disperser
 Confiné par la matière
sombre
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Matière sombre
Type d’objet
Dimension
Rapport
(M/L)
% de matière
sombre
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%
Environnement
solaire
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Mass budget
•
•
•
•
•
Wtotal = 1 (inflation)
Wdark energy = 0.73
Wmatter = 0.27
Wbaryons = 0.044
Wnon-baryonic = 0.23
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Candidats matière sombre
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Mass budget
• Dans les galaxies (Fukugita 2004, IAU 220):
– W (étoiles) = 0.0025
– W (HI & He) = 0.00062
– W (H2) = 0.00016
•
•
W (galaxies) = 0.0033
Wgal/Wbaryons = 7.5%
DM dans les halos de galaxies
baryons
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Conclusion DM dans les galaxies
• Modèles de distribution de masse implique que 5090% 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)
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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 nonrelativistes (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)
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DM Cosmologique
• Si inflation est correct, l’Univers est plat,
W = 1 et donc on a besoin de
Wl ~ 0.7 = énergie sombre
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DM Cosmologique