Quelle est la température de la matière noire?
Le fait n'est jamais allé de pair avec un miracle. La vérité méprise l'aide des miracles. Un fait coïncide avec tout autre fait dans l'univers, et c'est ainsi que l'on peut savoir s'il s'agit d'un fait ou non. Un mensonge ne coïncidera avec rien d'autre qu'un autre mensonge.
- Robert Green Ingersoll
L'un des faits les plus étonnants sur l'univers est qu'il est connaissable! À notre connaissance, quelques lois, propriétés et particules de base peuvent nous conduire d'un univers chaud, dense et presque homogène à un système complexe de milliards d'étoiles dans des milliards de galaxies que nous observons.
L'un des résultats les plus surprenants mais aussi les plus fiables de l'étude de l'Univers est que la matière noire, une forme de matière qui n'interagit pas avec la lumière, les atomes ou elle-même, à l'exception de l'interaction gravitationnelle, existe non seulement, mais prévaut également sur le nombre d'atomes cinq fois!Une quantité énorme de preuves conduit à cette conclusion, les deux meilleures étant les fluctuations du CMB
et la distribution des galaxies - connues sous le nom de structures à grande échelle - dans tout l'Univers.
Ce que nous aimerions faire ensuite, c'est trouver comment créer et / ou découvrir la matière noire afin de comprendre de quoi il s'agit.Malheureusement, car il n'interagit pas avec la matière ordinaire, sauf par la gravité, et la gravité est plus faible qu'une fois tous les 1030 , que d'autres interactions connues, nous n'avons pas encore pu le faire. Mais l'une des questions que nous pouvons poser et répondre par l'observation est quelle est l'énergie cinétique de la matière noire par rapport à sa masse.
Les fluctuations du CMB sont totalement indépendantes de cela. La matière noire pourrait se déplacer à des vitesses ultra-relativistes, ou ne pas bouger du tout, et ces fluctuations ne changeraient pas du tout.Mais beaucoup de choses sont sensibles à la vitesse de la matière noire. Par analogie, pensez-y comme aux molécules à l'intérieur d'une balle.
Si les molécules se déplacent rapidement, cela signifie une température élevée, et la balle est soumise à une pression de l'intérieur, à la suite de laquelle elle devient grande, et le gaz dans la balle se raréfie.D'un autre côté, si les molécules se déplacent lentement, cela correspond à une température basse, la pression de la balle à l'intérieur est petite, elle devient petite et le gaz à l'intérieur devient dense.Mais cette analogie ne peut pas s'appliquer complètement à la matière noire. Les molécules ordinaires entrent en collision les unes avec les autres et avec la surface de la balle. La matière noire vole simplement à la vitesse qu'elle a dans l'univers en expansion. Il peut soit se déplacer assez lentement pour faciliter l'effondrement gravitationnel des objets (et la formation des étoiles, des galaxies, des amas, etc.), soit se déplacer rapidement, ce qui rend difficile leur formation.Regardons le passé de l'Univers pour clarifier ce problème.
Nous verrons de nombreuses structures qui imposent une limitation de la température ou de la vitesse de la matière noire. Dans un univers vieux de plusieurs centaines de millions d'années, nous trouverons non seulement des galaxies ou des quasars, bien que leur présence soit très importante.
Nous retrouverons à plus petite échelle les particules effondrées d'hydrogène primordial, très denses et froides. En raison de la profondeur et de la faible largeur des lignes sur les graphiques - les lignes d'absorption des pièces froides d'hydrogène dans l'Univers primitif - nous pouvons bien limiter la vitesse de déplacement de la matière noire.
Nous pouvons donc rejeter l'idée de la matière noire chaude, dont la plupart est une sorte de neutrino relativiste ordinaire de petite masse. Mais nous pouvons simuler différentes températures de la matière noire - chaude, froide ou quelque chose de moyen, et regarder les prédictions obtenues.
De haut en bas - des modèles de matière noire froide, chaude et chaude,le plaisir commence ici. Les HM froids et chauds donnent des résultats qui coïncident généralement avec des observations de structures à petite et grande échelle. Sur des échelles de centaines de milliers d'années-lumière et plus, ces deux types de HM forment des structures presque indiscernables. Mais à plus petite échelle, ne dépassant pas une seule grande galaxie, il existe des différences très évidentes.
Pour simuler, vous pouvez étudier des galaxies individuelles et recréer la distribution de matière noire en elles. Les prédictions de la théorie du froid TM coïncident avec les quatre lignes supérieures, qui sont difficiles à concilier avec les observations. Le modèle isotherme (résultat) fonctionne toujours mieux, mais il n'y a pas de candidats appropriés pour les particules (et pour le TM froid, il y a des WIMP, des axions et un tas d'autres candidats).Mais les astronomes ont longtemps cru qu'une MT chaude allait mieux. Les physiciens ont préféré le froid TM, car il serait plus facile à détecter - c'est là que les efforts de la plupart des projets, y compris CDMS, XENON, Edelweiss et LHC, sont concentrés.
Mais un long mystère existe depuis longtemps. À l'échelle de galaxies individuelles comme notre Voie lactée, Cold TM prédit un grand nombre de galaxies satellites bosselées. Et bien qu'il y en ait beaucoup dans notre groupe local, mais toujours pas autant que nécessaire.Carlos Frenk de l'Université de Durham - et la lettre F dans le profil NFW est tirée de son nom de famille - au cours des dernières années, il a travaillé sur un ensemble de simulations de MT et de formation de structures très sensibles, aboutissant à des résultats très importants.
Warm TM fonctionne! Les galaxies naines autour de la Voie lactée ne sont pas aussi denses et pas aussi nombreuses que la théorie de la TM froide l'exigeait, mais les résultats de la simulation de la TM chaude coïncident avec les observations!Cela est particulièrement surprenant car nous pouvons comparer les effets du HM froid et chaud à grande échelle, où nos observations sont depuis longtemps très précises.
Ce sont les mêmes! À grande échelle, le HM froid et chaud donnent des résultats identiques pour les grappes. C'est merveilleux, car c'est ici que notre théorie coïncide le mieux avec les observations!Et à plus petite échelle?
Warm TM fait mieux. Mais si une MT chaude est la réponse à notre énigme astronomique, qu'est-ce que cela signifie pour la physique?Cela signifie que nous ne la trouverons pas où nous cherchons actuellement. Ce sont peut-être des neutrinos stériles; le quatrième type de neutrino, ne pas s'accoupler avec les autres comme nous sommes habitués? C'est peut-être un nouveau type de particule auquel nous n'avons pas pensé auparavant? Peut-être que c'est quelque chose comme un axion, seulement né non froid (comme le prédit la théorie standard), ou chaud (sous la forme d'une relique thermique), mais chaud, grâce à un nouveau type d'interaction ou d'appariement?Quoi qu'il en soit, le moment est venu de rouvrir la porte pour une TM chaude, plutôt que de rejeter cette idée en raison du manque de particules candidates appropriées. La gravité et la formation de structures ne mentent pas, alors écoutons ce qu'elles nous disent!Source: https://habr.com/ru/post/fr398497/
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