Demandez à Ethan: Un excès de positrons - cela vaut-il la peine d'attribuer la matière noire à la solution de tous les mystères de l'astrophysique?

Le télescope HAWC avec un large champ de vision voit les pulsars Geming et PSR B0656 + 14 comme des balises de rayonnement gamma, dont la taille angulaire est plus grande que celle de la Lune (elle est donnée pour l'échelle).

Malgré toute notre connaissance des lois de la physique et des succès du modèle standard et de la théorie générale de la relativité, certaines observations de phénomènes dans l'Univers manquent d'explication complète. L'Univers est encore plein de mystères, de la formation des étoiles aux rayons cosmiques de haute énergie. Bien que nous ayons fait de nombreuses découvertes liées à l'espace, nous ne savons toujours pas tout. Est-ce à dire qu'il vaut la peine d'attribuer un effet inconnu à l'action de la matière noire? Notre lecteur demande:

Il est généralement écrit sur la matière noire qu'elle n'interagit pas avec la matière, sauf par gravité. Alors, comment la cherchez-vous? Cela ressemble à une vieille énigme avec des trous noirs qui aspirent tout. Et puis j'ai lu dans un autre article qu'il peut être détecté par d'autres moyens, et pas seulement par le biais de lentilles gravitationnelles. Comment anéantit-elle? Cela ressemble-t-il à l'annihilation de positrons avec des électrons?

Il énumère beaucoup de mystères et beaucoup de preuves de la présence de matière noire. Mais attribuer toutes les énigmes au travail de TM n'est pas seulement une approche à courte vue, mais aussi un excellent exemple de démonstration de ce qui se passe lorsque les scientifiques ont de bonnes idées.


Chacune des deux grandes galaxies brillantes au centre de l'amas de cheveux Veronica , NGC 4889 (à gauche) et NGC 4874 (à droite, un peu plus petite), dépasse un million d'années-lumière. Mais le mouvement rapide des galaxies situées à la périphérie indique la présence d'un grand halo de matière noire sur tout le volume de l'amas

La matière noire est dispersée dans tout l'univers. Son concept a été proposé pour la première fois dans les années 1930 pour expliquer le mouvement rapide de galaxies individuelles en grappes, car il s'est avéré que toute la matière normale - composée de protons, de neutrons et d'électrons - n'est pas suffisante pour expliquer la quantité totale de gravité. Ce sont les étoiles, les planètes, le gaz, la poussière, le plasma interstellaire et intergalactique, les trous noirs et tout ce que nous pouvons mesurer. Il existe de nombreux facteurs convaincants soutenant la matière noire.


Le réseau spatial est contrôlé par la matière noire, et les structures de plus grande échelle sont déterminées par le taux d'expansion et l'énergie sombre. De petites structures situées le long des fils se forment en raison de l'effondrement de la matière normale interagissant électromagnétiquement.

Et cela inclut non seulement les galaxies en grappes, bien que chaque grappe en ait définitivement besoin. La MT est nécessaire pour:

• descriptions des propriétés de rotation des galaxies,
• la formation de galaxies de différentes tailles, des galaxies elliptiques géantes de la taille de la Voie lactée aux minuscules naines,
• interactions entre paires de galaxies,
• les propriétés des amas galactiques et les propriétés des amas galactiques à grande échelle,
• réseau spatial, y compris sa structure filamenteuse,
• Spectre de fluctuation CMB,
• effets observés de la lentille gravitationnelle dans des masses éloignées,
• différences entre les effets observés de la gravité et de la matière normale présents dans les amas galactiques en collision.

Des petites échelles des galaxies individuelles à l'univers, la matière noire est entièrement nécessaire.


Les cartes aux rayons X (rose) et la matière générale (bleu) de divers amas galactiques en collision montrent la différence entre la matière normale et les effets gravitationnels - c'est l'une des preuves les plus convaincantes de la présence de matière noire. Les théories alternatives de la gravité doivent devenir si tendues que beaucoup les trouvent ridicules

Si vous combinez cela avec le reste de la cosmologie, nous recevrons des preuves que chaque galaxie, y compris la nôtre, contient un halo raréfié massif de la MT environnante. Contrairement aux étoiles, au gaz et à la poussière dans les galaxies qui existent sous la forme d'un disque, le halo de la MT doit être sphérique, car il existe de nombreuses preuves que la TM, contrairement à la matière normale à base d'atomes, ne s'aplatit pas lorsqu'elle entre en collision avec elle-même ou avec la matière ordinaire. De plus, le TM devrait être plus dense autour du centre de la galaxie, et diminuer en densité à mesure qu'il s'éloigne, et s'étendre également, probablement, à une distance de dix fois la distribution des étoiles. Enfin, dans chaque halo, il devrait y avoir de petits morceaux de TM.


Selon les modèles et les simulations, toutes les galaxies devraient être entourées d'un halo de matière noire avec un pic de densité au centre galactique. Cependant, si seul le TM n'obéit pas à certains modèles et possède des propriétés spécifiques, il sera difficile d'expliquer l'excès de positrons ou de rayons gamma

Pour expliquer tout le spectre des observations ci-dessus et plusieurs autres, la MT ne devrait avoir aucune autre propriété, à l'exception des suivantes:

• elle doit avoir la masse;
• il doit interagir gravitationnellement;
• il doit se déplacer lentement par rapport à la vitesse de la lumière des premiers temps;
• il ne devrait pratiquement pas subir d'autres types d'interactions.

C’est tout. Toutes les autres interactions sont sévèrement limitées, mais non exclues.

Alors pourquoi, chaque fois qu'un excès de n'importe quel type de particules normales se produit pendant l'observation astrophysique - photons, positrons, antiprotons, etc. - Les gens cherchent-ils principalement à «blâmer» la MT?


Si vous ne savez pas comment expliquer des observations qui ne sont pas liées à la gravité, blâmez immédiatement TM pour tout - cela signifie saisir une paille.

En novembre 2017, une équipe qui étudie les sources de rayonnement gamma près des pulsars a publié ses travaux dans la revue Science et a tenté de mieux comprendre d'où vient l'excès de positrons observé. Les positrons, antiparticules d'électrons, apparaissent naturellement lors de l'accélération des particules de matière normale à des énergies suffisamment élevées, ce qui permet aux paires électron-positron d'apparaître dans des collisions, à partir de E = mc ² d'Einstein. Dans des expériences en physique des particules, nous créons ces paires de manière routinière, et nous pouvons également voir des preuves de la création de positrons en astrophysique - à la fois directement, lors de la recherche de rayons cosmiques, et non directement, en étudiant les signes énergétiques de la réannihilation électron-positron.


Les signaux caractéristiques de la ré-annihilation électron-positon à basse énergie, sur une ligne de photons de 511 keV, ont été mesurés de manière exhaustive par le satellite INTEGRAL

Les signes astrophysiques de la présence de positrons sont visibles autour du centre de la galaxie, ils sont concentrés autour de sources ponctuelles comme des microquasars et des pulsars situés dans la région mystérieuse de notre galaxie appelée le " grand annihilateur ", et sont observés comme un fond dispersé d'origine inconnue. Une chose est claire: en général, nous voyons plus de positrons que ce à quoi nous aurions dû nous attendre. Cela est connu depuis des années: à la suite de mesures effectuées par PAMELA , Fermi , un spectromètre magnétique alpha à bord de l'ISS. Récemment, l'observatoire HAWC a mesuré des rayons gamma de très haute énergie de l'ordre du TeV, ce qui suggère que des particules très fortement dispersées nous parviennent de la direction des pulsars d'âge moyen. Mais, malheureusement, cela ne suffit pas pour expliquer l'excès de positrons.


L'excès de positrons de haute énergie est difficile à expliquer, mais l'absence d'aplatissement du graphique du spectre, continue en raison des mesures HAWC, indique que la matière noire était la raison de cela.

Mais pour une raison quelconque, à chaque nouvelle mesure de l'excès de positrons ou de l'observation d'une source astrophysique qui ne peut pas en être responsable, les conversations commencent immédiatement dans le style "nous ne pouvons pas l'expliquer, donc la matière noire est à blâmer". Et c'est mauvais - il y a pas mal de candidats pour des sources astrophysiques qui ne nécessitent pas d'exotisme:

• production secondaire de positons et de rayons gamma sur d'autres particules,
• microquasars ou autres trous noirs absorbant la matière,
• des pulsars très jeunes ou très vieux, y compris des magnétars,
• restes de supernova.

Et ce n'est pas une liste complète - juste des exemples de ce qui pourrait causer cet excès.


Les restes d'une supernova ne rejettent pas seulement des éléments lourds créés lors de l'explosion dans l'Univers - la présence de ces éléments peut être déterminée à partir de la Terre

De nombreux scientifiques travaillant dans ce domaine ont tendance à utiliser la matière noire principalement parce que si elle annihilait et générait des rayons gamma et des particules de matière normale, ce serait une révolution et une percée. Ce serait idéal pour les chasseurs de matière noire parmi les astrophysiciens. Mais les vœux pieux ne fonctionnent pas et, pour autant que nous puissions en juger, l'anéantissement des particules de matière noire n'est toujours pas détecté par nous. Et bien que TM soit toujours distingué comme une explication possible de l'excès de positrons, cela n'est pas plus probable que l' activité des extraterrestres dans le cas de l'étoile Tabby .


L'idée d'enfermer une étoile dans un boîtier en matériau de collecte de lumière est connue sous le nom de «sphère Dyson». Pendant la construction, il peut couvrir de plus en plus de lumière d'étoile. Cette explication improbable de l'activité de l'étoile tabby est similaire à l'explication de l'excès de positrons en utilisant TM

J'ai contacté Brenda Dingus, la superviseure du projet HAWC, et elle a commenté cela comme suit:

Il ne fait aucun doute que les positrons ont d'autres sources. Cependant, les positons ne se propagent pas loin des sources et les sources de positrons à proximité ne sont pas si nombreuses. Les deux meilleurs candidats sources ont été découverts par le HAWC, et maintenant nous connaissons le nombre de positrons qu'ils émettent. Et nous savons également comment ces positrons se diffusent à partir des sources, et cela se produit plus lentement que prévu. Par conséquent, bien que nous ayons confirmé la présence de sources de positrons à proximité, nous avons constaté que les positons se propagent très lentement à partir de la source, et ne sont donc pas responsables de l'excès de positrons trouvés sur Terre.

Lorsque vous biffez une possibilité, cela augmente la probabilité des autres. Cependant, cela ne signifie pas que ces positons proviennent nécessairement de la matière noire. Nous ne le voulions pas.

L'excès hypothétique de positrons dans les observations HAWC suggère que seule une petite fraction du nombre requis de positrons pourrait provenir de sources telles que les pulsars d'âge moyen à proximité.

Le fait que les données de HAWC expliquent la présence de seulement 1% des positrons observés dans d'autres expériences est en effet le cas, et cela est tout à fait remarquable - et suggère que quelque chose d'autre est à blâmer pour leur présence. Lorsque vous avez une observation que les idées ordinaires ne peuvent pas expliquer, par exemple, un excès de positrons astrophysiques, vous pouvez avancer l'idée que cette MT montre des interactions recherchées depuis longtemps. Mais il est beaucoup plus probable qu'un autre processus astrophysique accélère les particules ordinaires connues, ce qui conduit à de tels effets. Lorsqu'une énigme apparaît dans la science, il faut garder l'esprit ouvert à la possibilité d'une révolution, mais miser sur l'ordinaire. Et ne croyez jamais le battage médiatique qui prétend le contraire.