Demandez à Ethan: si la matière noire est partout, pourquoi ne l'avons-nous pas trouvée dans le système solaire?

Le halo de matière noire agglomérante avec différentes densités et l'énorme structure diffuse que les simulations prédisent. Pour l'échelle, la partie brillante de la galaxie est représentée. Puisque la matière noire est partout, elle doit également se trouver dans notre système solaire. Alors pourquoi ne l'avons-nous pas encore vue?

Selon l'énorme volume de preuves, la majeure partie de l'univers est constituée d'une certaine masse d'un type mystérieux, que nous n'avons jamais mesurée directement. Les protons, les neutrons et les électrons - et en général toute la matière, constituée de particules incluses dans le modèle standard - dont les planètes, les étoiles et les galaxies que nous découvrons dans l'univers sont constitués, ne représentent que 15% de sa masse totale. Le reste consiste en quelque chose de complètement différent: la matière noire froide . Mais si la matière noire est partout et en grande quantité, pourquoi n'avons-nous pas vu dans le système solaire? C'est la question que se pose notre lecteur:

Toutes les preuves de la présence de matière noire et d' énergie noire se réfèrent au cosmos lointain. Il est plutôt suspect que nous ne voyions aucune preuve de leur existence ici dans notre système solaire. Personne n'a jamais signalé d'anomalies dans les orbites des planètes. Cependant, ils ont été mesurés très précisément. Si l'Univers est sombre à 95%, ces effets pourraient être mesurés localement.

En est-il ainsi? Ce fut l'une des premières pensées qui m'ont traversé l'esprit lorsque j'ai découvert la matière noire (MT) il y a 17 ans. Voyons cela et découvrons la vérité.



Le réseau cosmique de matière noire et la structure à grande échelle qu'il forme. La matière normale est présente, mais seulement 1/6 de la quantité totale de matière. Les 5/6 restants sont de la matière noire et aucune quantité de matière ordinaire ne peut la gérer.

L'idée principale de la MT est qu'à un moment donné dans un très jeune univers, avant l'apparition des galaxies, des étoiles ou même des atomes neutres, il y avait une mer de MT presque parfaite et lisse, répartie dans tout l'espace. Au fil du temps, la gravité et d'autres forces sont passées par plusieurs étapes interconnectées:

• toute matière, normale et sombre, est attirée par la gravité,
• les zones dont la densité est supérieure à la moyenne croissent, attirant les deux types de matière,
• le rayonnement entre en collision avec la matière normale et y appuie,
• mais avec TM cela ne se produit pas, au moins cela ne se produit pas exactement de la même manière.

Cela crée une image très précise des zones de haute et basse densité dans l'univers; un motif qui apparaît lorsque nous regardons le rayonnement relique (RI).



Les fluctuations du RI sont si petites et si caractéristiques qu'elles indiquent de manière convaincante que l'Univers au tout début avait la même température partout, et contenait également de la matière noire, de la matière ordinaire et de l'énergie sombre dans certaines proportions.

RI est la lueur résiduelle du Big Bang: le rayonnement qui est tombé dans nos yeux, ayant parcouru le chemin depuis le moment où des atomes neutres stables se sont formés pour la première fois dans l'Univers. Aujourd'hui, nous observons une photographie de l'Univers lors de la transition d'un plasma ionisé à un ensemble d'atomes électriquement neutre, lorsque la pression de rayonnement devient négligeable. Les zones froides correspondent à des régions de densité accrue, car le rayonnement doit dépenser plus d'énergie (plus que la moyenne) pour sortir de ces puits de gravité; points chauds - respectivement, régions à densité réduite.



Les zones de haute, moyenne et faible densité qui existaient lorsque l'Univers n'avait que 380 000 ans correspondent maintenant aux sections froide, moyenne et chaude du RI

Le dessin des zones froides et chaudes à toutes les échelles que nous pouvons observer et la corrélation entre elles nous renseignent sur la composition de l'Univers: 68% d'énergie sombre, 27% TM, 5% de matière normale. Au fil du temps, ces zones de densité accrue se sont transformées en étoiles, amas d'étoiles, galaxies et amas galactiques, et les zones de densité réduite ont donné leur matière aux zones de densité accrue qui les entourent. Et bien que nous ne puissions voir que de la matière normale, du fait qu'elle émet et interagit avec la lumière et d'autres types de rayonnement, la TM est la force dominante responsable de la croissance gravitationnelle des structures de l'Univers.



Une étude attentive de l'Univers démontre qu'il est constitué de matière, et non d'antimatière, que la MT et l'énergie sombre sont nécessaires, et que nous ne connaissons pas les sources de tous ces mystères. Cependant, les fluctuations du RI, la formation et les corrélations entre les structures à grande échelle et les observations modernes de lentilles gravitationnelles pointent vers la même image.

Puisque la matière normale interagit avec elle-même, l'effondrement gravitationnel de la matière normale et de la matière noire se produit de différentes manières. Un morceau de matière normale, recueilli sous l'influence de la gravité, commence à rétrécir. La compression passe d'abord par la dimension la plus courte, mais la matière normale interagit et entre en collision avec d'autres particules de matière normale - tout comme vos mains, bien qu'elles soient constituées d'atomes qui sont un espace presque vide, elles applaudiront lorsque vous essayerez de tenir un bras à travers un autre. Cette interaction conduit à l'apparition d'un disque de matière en rotation - tout en découle, des galaxies à disques (spirales) aux systèmes solaires, les planètes dans lesquelles se déplacent en orbites situées dans le même plan. La matière noire, en revanche, n'entre pas en collision avec elle-même ou avec la matière normale, c'est pourquoi elle reste sous la forme d'un grand halo extrêmement clairsemé. Et bien qu'il y ait plus de matière noire que d'habitude, sa densité, par exemple, dans notre galaxie, est bien moindre aux endroits où il y a des étoiles.



Pendant la révolution de la Terre autour du Soleil, notre mouvement à travers la MT dans notre galaxie change, donc son halo devrait démontrer diverses propriétés d'interaction

Et maintenant, nous arrivons au problème principal. Comment la MT affecte-t-elle le système solaire? La plupart de ce que vous imaginez probablement sera vrai d'une manière ou d'une autre: les particules TM doivent voler partout dans l'espace, y compris tout l'espace de la Voie lactée. Et cela signifie que la MT doit être dans le système solaire, au soleil, doit traverser notre planète et nos corps. La grande question est la suivante: par rapport aux masses du Soleil, des planètes, des autres objets du système solaire, quelle sera la masse de TM qui nous intéresse?



Dans le système solaire, en première approximation, les orbites des planètes sont déterminées par le soleil. Dans la seconde approximation, toutes les autres masses (planètes, lunes, astéroïdes, etc.) jouent un rôle important. Mais pour ajouter ici aussi TM, vous devez augmenter considérablement la précision.

Pour répondre, nous devons d'abord comprendre ce qui détermine les orbites des objets à l'intérieur de notre système solaire. Dans une large mesure, le Soleil sera la masse dominante du système solaire. Avec une approximation très précise, il détermine les orbites des planètes. Mais pour Vénus, la planète Mercure sera interne, et en première approximation, l'orbite de Vénus est déterminée par la masse totale du Soleil et de Mercure. L'orbite de Jupiter est déterminée par la somme de la masse du Soleil et de toutes les planètes internes, ainsi que de la ceinture d'astéroïdes. Pour tout objet dans son ensemble, son orbite est déterminée par la masse totale enfermée dans une sphère imaginaire centrée sur le Soleil et cet objet au bord de la sphère.



Dans la théorie générale de la relativité, dans le cas d'une distribution uniforme de TM (ou de toute masse) dans l'espace, seule la masse enfermée à l'intérieur de son orbite affecte le mouvement d'un objet; une masse homogène en dehors de l'orbite n'affecte rien [théorème de Birkhoff / env. perev.]

S'il y a une mer de HM imprégnant tout l'espace où vous et moi sommes - le système solaire entier - alors les planètes extérieures devraient interagir avec une masse légèrement plus grande que les intérieures. Et s'il y a beaucoup de MT, alors il doit y avoir un moyen de le détecter. Puisque nous connaissons la masse de la Voie lactée, la densité relative de la matière normale et sombre et que nous avons des simulations montrant comment la densité de la MT devrait se comporter, nous pouvons donner de très bonnes estimations. Et après avoir effectué de tels calculs, il s'avère qu'environ 10 ¹³ kg de HM devraient affecter l'orbite de la Terre et 10 ¹⁷ kg devraient affecter l'orbite d'une planète comme Neptune.

Mais ces chiffres sont minuscules par rapport à tous les autres masses! La masse du Soleil est de 2 × 10 ³⁰ kg, la masse de la Terre est de 6 × 10 ²⁴ . Les masses que nous avons mentionnées dans l'intervalle 10 ¹³ - 10 ¹⁷ kg sont comparables à la masse d'un astéroïde modeste. Un jour, peut-être, nous pourrons comprendre le système solaire si précisément que nous pourrons détecter de si petites différences, mais jusqu'à présent, nous avons dépassé cette erreur d'environ 100 000 fois .



Notre galaxie est située à l'intérieur de l'énorme et dispersé halo de TM, donc le TM doit couler à l'intérieur du système solaire. Mais sa densité est extrêmement faible, il est donc très difficile de la détecter localement.

En d'autres termes, la TM doit être dans le système solaire et affecter le mouvement des planètes extérieures pas comme le mouvement des planètes intérieures, en raison de la quantité de masse située dans une sphère centrée sur le Soleil et d'un rayon éloigné de la planète. Vous pourriez être intéressé par la question de savoir si l'interaction de nombreux corps, à savoir la MT, les planètes et le Soleil, peut conduire à la capture d'une quantité supplémentaire de TM. C'est un problème intéressant, et j'ai écrit un ouvrage sur ce sujet il y a environ 10 ans. Mes collègues et moi avons constaté que la densité de la MT peut augmenter considérablement, mais seulement si vous ne tenez pas compte de la masse capturée, qui est très susceptible d'être rejetée. Mais même avec une telle augmentation, la masse maximale de TM, après 4,5 milliards d'années (magenta sur le graphique) est encore bien en deçà de toutes les limitations observées.



Le nombre de HM galactiques à l'intérieur des orbites des planètes de rayon différent de notre système solaire (bleu), et le nombre total de HM qui auraient dû être capturés pendant toute la vie du système solaire, sans tenir compte de ses émissions, ainsi que la meilleure limite prise à partir des travaux de 2013 , selon le nombre maximum de TM, qui, en principe, peut être avec nous. Nous n'avons pas encore saisi l'opportunité de vérifier sa disponibilité.

Dans notre système solaire, il y a vraiment de la MT, et cela devrait avoir un réel impact sur toutes les autres particules de matière qui l'entourent. S'il y a interaction croisée entre des particules de matière normale et sombre, alors dans les expériences de détection directe, il devrait être possible de la détecter directement sur Terre. Et sinon, les effets gravitationnels de la MT traversant le système solaire, capturés et libres par gravitation, devraient affecter les orbites des planètes. Mais tant que nos mesures ne seront pas suffisamment précises, cet effet gravitationnel ne sera pas suffisant pour une détection directe. Jusqu'à présent, nous devons regarder l'Univers en dehors du système solaire afin d'observer l'effet de la MT sur l'espace-temps.