M4 Dynamique Galactique

Topique

L'élément central de ce modèle est la galaxie, appréhendée comme un système en rotation maintenu par une masse majoritairement invisible.

La courbe de rotation du disque galactique demeure quasiment plate aux grands rayons, au lieu de décroître comme ce serait le cas si seule la masse visible du disque assurait cette rotation. Cette planéité constitue la preuve cinématique la plus directe de l'existence d'un halo de matière noire enveloppant la galaxie entière.

Le disque stellaire de la galaxie, quant à lui, présente un profil de densité décroissant exponentiellement avec le rayon, tandis que le profil de densité du halo de matière noire lui-même, tel que prédit par les simulations à N corps, décroît beaucoup plus progressivement près du centre de la galaxie qu'à distance, où cette même décroissance est beaucoup plus marquée : deux régimes distincts au sein d'un même halo.

Le théorème du viriel, appliqué ici aux galaxies elliptiques et aux amas globulaires plutôt qu'à un disque unique, permet d'estimer la masse totale de chacun de ces systèmes à partir de la dispersion des vitesses observée parmi ses étoiles membres. Cette même matière noire représente, à l'échelle de l'univers entier, environ un quart de son énergie totale et domine la masse des galaxies et des amas de galaxies, en représentant plus de 80 %. Les preuves de son existence sont multiples et indépendantes : les courbes de rotation plates des galaxies comme celle présentée en introduction, la dispersion des vitesses au sein des amas, la déviation de la lumière par lentille gravitationnelle – qui révèle toute la masse présente, y compris celle invisible –, la différence observée entre le gaz et la masse totale après la collision de deux amas de galaxies, et les fluctuations du fond diffus cosmologique lui-même.

La particule candidate la plus étudiée pour expliquer la matière noire, une particule massive interagissant faiblement, possède une section efficace d'annihilation qui correspond remarquablement à la valeur naturellement produite par l'abondance de matière noire observée aujourd'hui – une coïncidence souvent qualifiée de « miracle de cette particule ». La lentille gravitationnelle faible est actuellement le principal outil pour cartographier la distribution de la matière noire à l'échelle cosmologique. Ainsi, de la galaxie par laquelle commence cet article à la cartographie à l'échelle cosmologique par laquelle il se conclut, en passant par la courbe de rotation plate, le halo sombre et le théorème du viriel, la dynamique galactique démontre que la même masse invisible soutient, avec la même logique, à la fois la rotation d'une seule galaxie et la structure de l'univers entier.

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