Je serai le premier à admettre que nous ne comprenons pas la matière noire. Par exemple, lorsque nous regardons une galaxie et comptons tous les morceaux incandescents chauds comme les étoiles, le gaz et la poussière, nous obtenons une certaine masse. Lorsque nous utilisons une autre technique pour mesurer la masse, nous obtenons un nombre beaucoup plus élevé. Donc, la conclusion naturelle est que toute la matière dans l'univers n'est pas toute chaude et brillante. Peut-être que certains sont sombres.
Mais attendez. Nous devons d'abord vérifier nos calculs. Sommes-nous sûrs que nous ne nous trompons pas seulement sur la physique?
Détails de la matière noire
Une pièce majeure du puzzle de la matière noire (bien que certainement pas la seule, et cela sera important plus tard dans l'article) se présente sous la forme de courbes de rotation de galaxie. Alors que nous regardons les étoiles tourner en rotation autour du centre de leurs galaxies, celles qui sont plus éloignées du centre devraient se déplacer plus lentement que celles plus proches du centre. En effet, la majeure partie de la masse galactique est encombrée dans le noyau, et les étoiles les plus externes sont loin de tout cela, et par simple gravité newtonienne, elles devraient suivre des orbites paresseuses lentes.
Mais ce n'est pas le cas.
Au lieu de cela, les étoiles les plus extérieures orbitent aussi rapidement que leurs cousines de la ville.
Puisqu'il s'agit d'un jeu de gravité, il n'y a que deux options. Soit nous nous trompons de gravité, soit il y a des trucs invisibles supplémentaires qui trempent chaque galaxie. Et pour autant que nous puissions le dire, nous obtenons la gravité très, très bien (c'est un autre article), alors boom: la matière noire. Quelque chose garde ces étoiles en roue libre piégées à l’intérieur de leurs galaxies, sinon elles auraient explosé comme un manège hors de contrôle il y a des millions d’années; ergo, il y a tout un tas de choses que nous ne pouvons pas voir directement mais que nous pouvons détecter indirectement.
Devenir lourd
Mais que faire si ce n'est pas seulement un jeu de gravité? Il y a, après tout, quatre forces fondamentales de la nature: le nucléaire fort, le nucléaire faible, la gravité et l'électromagnétisme. Est-ce que certains d'entre eux peuvent jouer dans ce grand jeu galactique?
Le nucléaire fort ne fonctionne qu'à de minuscules échelles subatomiques, donc c'est tout droit. Et personne ne se soucie du nucléaire faible, sauf dans certaines désintégrations et interactions rares, nous pouvons donc mettre cela de côté également. Et l'électromagnétisme ... eh bien, le rayonnement et les champs magnétiques jouent évidemment un rôle dans la vie galactique, mais le rayonnement pousse toujours vers l'extérieur (donc cela ne va évidemment pas aider à maintenir les étoiles en mouvement rapide) et les champs magnétiques galactiques sont incroyablement faibles (pas plus forts que un millionième du champ magnétique de la Terre). Alors… non, non?
Comme à peu près tout en physique, il y a une sortie sournoise. Pour autant que nous puissions en juger, le photon - porteur de la force électromagnétique elle-même - est complètement sans masse. Mais les observations sont des observations et rien en science n'est connu avec certitude, et les estimations actuelles placent la masse du photon à pas plus de 2 x 10-24 la masse de l'électron. À toutes fins utiles, cela est fondamentalement nul pour à peu près tout ce qui importe à tout le monde. Mais si le photon Est-ce queavoir de la masse, même en dessous de cette limite, cela peut faire des choses assez drôles à l'univers.
Avec la présence de masse dans le photon, les équations de Maxwell, la façon dont nous comprenons l'électricité, le magnétisme et le rayonnement, prennent une forme modifiée. Des termes supplémentaires apparaissent dans les mathématiques et de nouvelles interactions prennent forme.
Peux-tu sentir cela?
Les nouvelles interactions sont suffisamment compliquées et dépendent du scénario spécifique. Dans le cas des galaxies, leurs faibles champs magnétiques commencent à ressentir un petit quelque chose de spécial. En raison de la nature enchevêtrée et tordue des champs magnétiques, la présence de photons massifs modifie les équations de Maxwell dans juste la bonne façon d'ajouter une nouvelle force d'attraction qui, dans certains cas, peut être plus forte que la gravité seule.
En d'autres termes, la nouvelle force électromagnétique pourrait être en mesure de maintenir les étoiles en mouvement rapide, éliminant complètement le besoin de matière noire.
Mais ce n'est pas facile. Les champs magnétiques traversent le gaz interstellaire de la galaxie, pas les étoiles elles-mêmes. Donc, cette force ne peut pas tirer directement sur les étoiles. Au lieu de cela, la force doit faire connaître son attrait aux gaz, et d'une manière ou d'une autre, le gaz doit faire savoir aux étoiles qu'il y a une nouvelle ville de shérif.
Dans le cas des étoiles massives à courte durée de vie, c'est assez simple. Le gaz lui-même fouette le noyau galactique à vitesse maximale, forme une étoile, l'étoile vit, l'étoile meurt et les restes redeviennent du gaz assez rapidement pour qu'à toutes fins utiles, ces étoiles imitent le mouvement du gaz, donnant nous les courbes de rotation dont nous avons besoin.
Gros problème dans les petites étoiles
Mais les petites étoiles à longue durée de vie sont une autre bête. Ils se découplent du gaz qui les a formés et vivent leur propre vie, en orbite autour du centre galactique plusieurs fois avant leur expiration. Et comme ils ne ressentent pas l'étrange nouvelle force électromagnétique, ils devraient simplement s'éloigner de leurs galaxies, car rien ne les empêche de contrôler.
En effet, si ce scénario était précis et que des photons massifs pouvaient remplacer la matière noire, notre propre soleil ne devrait pas être là où il est aujourd'hui.
De plus, nous avons de très bonnes raisons de croire que les photons sont vraiment sans masse. Bien sûr, les équations de Maxwell ne se soucient peut-être pas beaucoup, mais la relativité restreinte et la théorie quantique des champs le font certainement. Vous commencez à jouer avec la masse de photons et vous avez beaucoup d'explications à faire, monsieur.
De plus, ce n'est pas parce que tout le monde aime les courbes de rotation des galaxies qu'elles sont notre seule voie vers la matière noire. Les observations des amas de galaxies, les lentilles gravitationnelles, la croissance de la structure dans l'univers et même l'arrière-plan cosmique des micro-ondes pointent tous dans la direction d'une sorte de composante invisible de notre univers.
Même si le photon avait une masse, et était en quelque sorte en mesure d'expliquer les mouvements de tout étoiles d'une galaxie, pas seulement les étoiles massives, cela ne pourrait pas expliquer la multitude d'autres observations (par exemple, comment une nouvelle force électromagnétique pourrait-elle expliquer la flexion gravitationnelle de la lumière autour d'un amas de galaxies? Ce n'est pas une question rhétorique - ça ne peut pas). En d'autres termes, même dans un cosmos rempli de photons massifs, nous aurions également besoin de matière noire.
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