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Epistémologie Generale        Chapitre IV-10       

 

IV-10 Cosmologie

 

(Permalien)

Avertissements

(Permalien) Il est difficile pour un amateur d'écrire scientifiquement sur un sujet tel que l'astronomie et la cosmologie. Il s'agit en effet de domaines où les choses avancent très vite, et ce qui paraît «scientifique» ou «raisonnable» aujourd'hui peut paraître ridicule dans trois ans. Pour cette raison, merci de tenir compte de la date de publication de ce chapitre (Janvier 2016) pour tout jugement ou analyse.

Qui plus est, la cosmologie fait appel à des entités ad-hoc, comme le Big Bang, l'inflation ou la matière noire, ou encore elle dépasse largement le domaine expérimental, avec des choses comme les brisures de symétrie (chapitre IV-9) ou les trous noirs. Dans ces conditions la frontière entre science et pseudoscience n'est pas toujours très claire, et elle peut parfois bouger brusquement, laissant le penseur de bonne foi échoué du mauvais côté.

Ce qui explique que ce chapitre a été publié bien après les autres de cette partie sur la physique. Après en avoir écrit une version détaillée mais «risquée», je préfère préparer une version plus synthétique, question par question.

Enfin, parmi les nombreux problèmes ouverts en astrophysique et cosmologie, je me borne à traiter ceux pour lesquels j'ai des idées originales, ou pour lesquels la théorie de l'autogénération logique jette quelque lumière.

Le chapitre VIII-2 traite plus spécifiquement de la formation des étoiles et des planètes.

Je réclame l'antériorité pour toutes les idées de ce chapitre, pour Janvier 2016, ou pour les dates d'addition indiquées. Verifiez sur la Wayback Machine.

SECTION I: cosmologie

(Permalien)

La singularité originelle

(Permalien) Dans le cadre de la théorie du Big Bang, les physiciens ont déjà du mal à expliquer la formidable inflation de notre univers, de dimensions microscopiques à l'immensité cosmique actuelle. Mais l'instant d'origine pose un problème encore plus épineux: Pour passer d'un point à l'univers des premiers instants, aussi petit soit-il, il faut un taux d'expansion infini.

Ce problème en cache un autre encore plus grand: comment l'espace et le temps eux-mêmes seraient-ils «apparus»? L'idée même qu'ils puissent «apparaître» est extrêmement étrange.

Les physiciens s'en sortent en évoquant pour l'instant zéro un temps de Plank, et pour le point zéro une dimension Plank, incroyablement petits, mais non nuls, en dessous desquels il n'y a pas de dimensions définies. Donc, aussi grande l'inflation fut-elle, elle reste finie. Et compréhensible.

La théorie de l'autogénération logique expliquée dans ce livre permet une description plus précise. En effet, d'après cette théorie, l'espace et le temps n'existent pas en eux-mêmes. Ils ne «contiennent» pas les éléments de l'univers, mais ils sont la structure, au sens de la Théorie des Ensembles, de l'ensemble de ces éléments. Structure que nous percevons comme «l'espace» et le «temps» (chapitre III-5). Il n'y a donc aucune difficulté à ce qu'ils apparaissent, se dilatent, voire présentent courbure et autres géométries relativistes.

On a vu au chapitre III-4 que le tout premier contenu de l'univers aurait été une simple boucle d'implications logiques se «démontrant elles-mêmes». C'est à dire un élément unique, ne définissant aucune structure, et donc ne définissant ni espace ni temps. Puis une première implication logique donne un second élément à la série. Avec deux éléments, on définit déjà une ligne droite, avec une échelle de mesure. De plus, cette ligne est instantanément définie sur toute sa longueur, jusqu'à l'infini des deux côtés. Puis, avec d'autres itérations à la série, d'autres éléments apparaissent. Trois définissent un plan, quatre un volume, etc. qui apparaissent donc comme la façon donc ces éléments se positionnent l'un par rapport à l'autre. Après, le nombre de dimensions, la taille et la géométrie de cet ensemble dépend de son contenu (particules relativistes) mais cela résout le gros problème de l'apparition de l'espace. On a aussi vu au chapitre IV-3 que le temps n'est autre que le déroulement de la série, que nous percevons comme le temps qui passe. Il démarre donc bien avec la série, et il ne peut pas être défini avant.

Quand au passage d'une dimension nulle à une dimension finie, ce problème ne se pose tout simplement pas: au stade de l'élément unique, il n'y a pas de dimension, ni nulle ni finie. Mais dès que deux éléments existent, une dimension finie existe.

La courbure de l'univers

(Permalien) L'émergence de la notion de Big Bang, suivant immédiatement celle de la Relativité, a entraîné l'idée que l'espace et le temps auraient été eux-mêmes créés à l'instant du Big Bang. Ainsi le Big Bang ne serait pas une explosion se produisant à un point donné d'un espace Euclidien vide préexistant, mais l'inflation de l'univers lui-même.

Pour qu'un tel modèle soit cohérent, il fallait que cet univers ait une autre géométrie que Euclidienne: depuis les années 1930 on considère que notre univers serait une hypersphère, c'est à dire l'équivalent de la surface d'une sphère, mais en trois dimensions au lieu de deux (espace de De Sitter) Ainsi aucun point n'est privilégié, et l'inflation de l'univers se ramène à l'augmentation du rayon de l'hypersphère.

Cette théorie avait une conséquence testable: tout comme on peut faire le tour de la Terre en se déplaçant en ligne droite, la lumière pourrait faire le tour de notre univers et revenir de l'autre côté, voire même faire plusieurs fois le tour. Ainsi, je me rappelle que dans les années 1980 des astronomes avaient tenté de trouver des images multiples du même quasar, en regardant dans des directions opposées. Ils n'ont rien trouvé de tel, mais aujourd'hui on sait que les quasars ne brillent que relativement peu de temps, ce qui rend cette expérience plus difficile que prévue.

Toutefois dans les années 2000 les mesures précises par la NASA de la courbure de l'univers ont montré qu'elle est très faible, inférieure à 10%. Ainsi l'univers visible est presque Euclidien!

Pour sauver l'hypersphère, il faut alors qu'elle ait un rayon incompréhensiblement supérieur aux dimensions de l'espace visible, qui sont déjà fantastiques.

Du coup, il faut envisager à nouveau que le Big Bang pourrait s'être produit en un point d'un univers euclidien. Oui, mais alors, comment cet univers infini aurait-il été créé? A ce point la théorie de l'autogénération logique est utile. On a vu dans le sous-chapitre précédent comment elle prévoit l'apparition de l'espace et du temps. Selon ce processus, il n'y a aucune difficulté à ce qu'apparaissent diverses géométries, qui peuvent être un univers totalement Euclidien, aussi bien que l'hypersphère classique. De plus cet univers euclidien est instantanément défini jusqu'à l'infini, même très loin de tout contenu.

Il reste tout de même qu'une explosion dans un univers Euclidien doit être bien plus grande que l'univers visible, pour y produire une densité uniforme. La notion d'un espace Euclidien ne résout donc pas le problème de la taille incommensurable de l'univers.

Mais l'explosion en un point d'un univers Euclidien ramènerait la notion antique de l'univers ayant un bord. Les gens qui vivraient là verraient donc d'un côté un univers rempli de galaxies, comme chez nous. Mais de l'autre côté, ce serait le vide et les ténèbres absolus. Même pas le fond de radiations primordial à 3°K!

L'inflation

(Permalien) L'inflation serait une fantastique augmentation du volume de l'univers immédiatement après le Big Bang, entre un état sub-microscopique et les immenses dimensions qu'on lui connaît aujourd'hui. Elle est comprise comme l'expansion thermodynamique de l'univers sous l'effet de sa température et de sa pression, comme un gaz dans un piston. L'explosion du Big Bang, en somme. Les divers changements dans la physique seraient la cause d'un tel dégagement d'énergie, le plus récent étant la nucléosynthèse primordiale (formation d'hélium) dans les trois minutes qui ont suivi le Big Bang. Mais d'autres transitions bien plus puissantes ont eu lieu avant, la plus connue étant la Grande (dés)Unification (apparition des quatre forces connues de la physique, à partir d'une force unique). Aujourd'hui l'inflation est bien caractérisée par les données de différents satellites.

Cette situation n'explique toutefois pas pourquoi l'univers est si homogène aujourd'hui: il aurait fallu que les différentes parties de l'univers aient communiqué entre elles à un moment, alors qu'elles s'éloignaient les unes des autres à des vitesses superluminiques. Ceci est appelé le problème de l'horizon. C'est pourquoi les physiciens supposent une inflation supplémentaire, de cause inconnue, qui aurait tellement agrandi l'univers que nous n'en verrions qu'un tout petit bout, homogénéisé par cette monstrueuse dilatation. La cause de cette inflation cosmologique reste sujet de débats entre plusieurs hypothèses, et elle n'est même pas acceptée par tous. Personnellement je garde d'autres hypothèses ouvertes:

-L'homogénéisation aurait pu se produire plus tôt, à une époque où l'univers était relativement stable et ses différentes parties auraient eu le temps de communiquer. Par exemple, avant la Grande (dés)Unification, l'univers serait resté un certain temps dans un état métastable, avec peu ou pas d'inflation. Il aurait même pu pulser, et d'autres bizarreries. Puis la Grande (dés)Unification aurait démarré en un point quelconque. La flamme (dés)Unificatrice se serait alors propagée à l'ensemble, d'une manière assez ordonnée, produisant une nouvelle période d'inflation thermodynamique homogène. Soit dit en passant, je trouve fascinante l'idée d'un incendie consumant l'univers entier.

Ajouté le 16 Juin 2016: Mais il y a encore plus extraordinaire: pour d'éventuels témoins qui auraient vécu dans notre univers quand il était encore grand-unifié, le front de flamme (dés)unificatrice, non seulement brûlerait tout comme notre feu, mais en plus la pression de l'onde de choc serait telle qu'elle distordrait l'espace-temps lui même! Comme un trou noir, sauf que il dilaterait les choses au lieu de les comprimer. Ainsi des scientifiques grand-unifiés, observant le front de flamme avancer vers eux, verraient les objets brûler, mais aussi se dilater monstrueusement, tandis que leur lumière se décalerait vers le rouge. Puis ils disparaîtraient au-delà de l'horizon des événements, ce même horizon qui aujourd'hui encore titille nos scientifiques moléculaires (notre forme de vie actuelle!!), car ils ne comprennent pas encore comment l'univers peut être homogène si ses différentes parties ne pouvaient pas communiquer entre elles, séparées par cet horizon. Cette vision effroyable d'un front d'explosion dilatant un espace tranquille au fur et à mesure qu'il avance pourrait être une réponse.

-Plus original, l'apparition d'une nouvelle physique lors d'un événement tel que la Grande (dés)Unification aurait en quelque sorte redéfini les dimensions de l'univers. Ce serait le même processus que vu précédemment pour la singularité originelle, mais appliqué à de nouvelles particules. Il se produirait sans déplacement des constituants de l'univers. Mais il pourrait produire une fantastique augmentation de pression.

Que la Grande (dés)Unification ait démarré en un point unique, expliquerait aussi pourquoi il n'y a qu'une seule physique, et non pas des domaines d'univers avec des physiques différentes.

L'accélération de l'expansion

(Permalien) Jusqu'à récemment, les astronomes pensaient que l'expansion de l'univers allait en ralentissant, freinée par l'attraction gravitationnelle des différentes parties les une sur les autres. Toutefois des mesures précises ont récemment montré un phénomène surprenant: depuis environ cinq milliards d'années, cette expansion accélère à nouveau. Aujourd'hui personne ne sait encore pourquoi, et on voit fleurir des expressions telles que «énergie noire», qui ont au moins le mérite de faire comprendre... notre ignorance.

Je ne me risquerai que très timidement à des hypothèses.

Lors de la rédaction initiale de ce chapitre (non publiée) je supposais que l'accumulation de rayonnements cosmiques à haute énergie aurait fini par exercer une pression supérieure à la force de la gravitation. Toutefois je me suis aperçu depuis que cela ne tient pas: en effet, si l'univers double de taille, la pression est divisée par environ douze (La loi de Mariotte dit huit, mais la loi adiabatique s'applique dans ce cas), alors que la gravitation n'est divisée que par quatre... la pression due aux rayons cosmiques pourrait donc empêcher l'univers de s'effondrer en dessous d'un certain rayon, mais pas accélérer sa dilatation. En plus la production de rayons cosmiques est considérablement réduite aujourd'hui, en comparaison de ce qu'elle était il y a 5 à 10 milliards d'années.

J'avais aussi supposé que les zones «plates» (non courbées par la gravitation) entre les galaxies finiraient par exercer une pression sur les zones courbées, de par quelque effet relativiste. Ceci est purement spéculatif, mais certains scientifiques ont développé une idée similaire: la matière noire et l'énergie noire seraient la même chose, mais attractive en présence de matière et répulsive dans les immensités intergalactiques.

Ajouté le 20 Décembre 2016: Au sous-chapitre précédent, nous avions envisagé le spectacle dantesque auquel assisteraient des scientifiques vivant dans la physique grand-unifiée, assistant à l'apparition de notre propre physique. Ce que nous voyons aujourd'hui ressemble exactement à ça, l'apparition en cours d'une nouvelle physique, encore inconnue et incompréhensible pour nous. Juste que cette physique nouvelle se déroulerait à une échelle de temps bien plus lente que la nôtre...

Une possible explication simple de l'expansion accélérée.

(Permalien) (Sous-chapitre ajouté le 31 janvier 2019)

J'aimerais faire une remarque ici: les courbes montrant l'expansion sont difficilement distinguables de l'expansion non accélérée: les deux courbes sont dans les limites des erreurs de mesure. Je fais un lien vers une courbe sur le site de l'Université de l'Alberta (soigneusement sélectionnée, car d'autres courbes sur la même page sont en échelle logarithmique, ce qui pourrait amener les non-initiés à penser qu'il y a une forte accélération). Dans cette figure, les étoiles de la zone bleue indiquent une expansion en accélération, tandis que les étoiles de la zone rouge indiquent une expansion en décélération. L'expansion constante est à la limite entre les deux zones. Les mesures montrent une légère préférence pour le côté bleu, mais elles chevauchent les deux côtés.

Il se pourrait donc que d'autres mesures plus précises montrent qu'il n'existe pas d'accélération de l'expansion, mais que l'expansion se poursuivrait maintenant à une vitesse constante. Comment cela serait-il possible? Pour comprendre comment, rappelons que le taux d'expansion est déterminé par deux forces:

1) l'expansion provoquée par le big bang et qui se produit encore aujourd'hui. Cela équivaut à une pression positive (extérieure) qui augmente la taille de l'univers.

2) La gravitation, qui exerce une pression négative (intérieure), tentant de faire s'effondrer l'univers.

Jusqu'à il y a environ 5 milliards d'années, la deuxième force était suffisamment puissante pour ralentir l'expansion. Cependant, ce ralentissement a presque cessé d'être effectif aujourd'hui. Je pense que la raison en est simple: depuis ce temps, les galaxies se sont regroupées en amas liés par la gravitation, allongeant les distances moyennes et affaiblissant ainsi la pression gravitationnelle vers l'intérieur. En termes thermodynamiques, le nombre de particules dans le «gaz» de galaxies a diminué, ce qui entraîne toujours une diminution de la pression (négative). A la limite, le rassemblement en amas pourrait avoir augmenté la «température» du «gaz» de galaxies, produisant la faible accélération observée.

Ainsi, au lieu d'une accélération, ce que nous voyons maintenant n'est plus que des grands amas découplés, qui ne sont plus liés par gravitation. Si tel est le cas, l'univers continuera de croître éternellement, mais à un rythme constant. Les amas continueront de s'effondrer en galaxies géantes, séparées par des étendues toujours plus vastes d'espace vide.

J'aime cette explication simple. Normalement, il faudrait faire un papier scientifique avec les calculs de thermodynamique des galaxies et tout. Mais il n'y a pas assez d'infos disponibles sur Internet pour ça.

Comme je n'ai jamais rien entendu mentionner de ce genre auparavant, je réclame la précédence pour cette idée, le 31 Janvier 2019. Elle ne m'est parvenue que quelques jours avant.

La matière noire

(Permalien) Au fur et à mesure que les astronomes découvraient l'architecture et les propriétés des galaxies, ils ont compris qu'une bonne partie de leur masse échappe à toute observation directe, ne pouvant être décelée que par ses effets gravitationnels. Et pas qu'un peu: jusqu'à quatre vingt pour cent de la masse totale de l'univers! Cette masse invisible, dire matière noire, est très inégalement répartie: rare ou absente des petits objets (amas globulaires), on ne la détecte que dans le halo des galaxies, et surtout le massif halo des amas de galaxies. La compréhension a aussi émergé qu'elle aurait joué un rôle important dans la formation des premières galaxies, trop rapide pour arriver avec la seule matière visible.

Ainsi la matière noire ne réagit qu'à la gravitation, n'émettant ni n'absorbant aucun rayonnement, ce qui la rend effectivement invisible (mais pas littéralement «noire»).

Aujourd'hui cette matière noire est suffisamment bien connue pour éliminer les théories triviales (effets de luminosité, de distance...) et les théories ad-hoc (gravitation modifiée, etc. qui ne tiennent pas la route face aux cartes précises de la répartition de la matière noire dans les amas de galaxies). Les astronomes ont également éliminé les théories du type MACHO (Massive Compact Halo Object, genre trous noirs, mini-étoiles, planètes solitaires... pas trouvés en quantité suffisante). Il ne reste donc que les théories du genre WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), c'est à dire des particules dotées d'une masse mais n'interagissant pas avec la matière ordinaire. Là par contre le choix est encore très large: neutrinos ou variants hypothétiques (neutrinos stériles, axions), partenaires supersymétriques des particules connues, voire nouveaux champs encore inconnus. On ne connaît même pas la température de cette matière noire, c'est tout dire!

 

La théorie de l'autogénération logique permet-elle de prédire des particules hypothétiques de matière noire? Pas vraiment, tant qu'elle ne rentre pas dans la description détaillée des causes des différents champs. Mais si elle le fait, alors elle n'est plus discernable de la physique classique. La seule chose que je vois d'original à dire serait de ce genre:

Lors des premières étapes du Big Bang auraient existé des particules unifiées interagissant selon une force unique (probablement la gravitation). Lors de la Grande (dés)Unification, ces particules se seraient transmutées en nos particules actuelles: quarks, photons, électrons, qui se seraient alors mises à interagir selon les quatre forces actuelles (gravitationnelle, électrique, forte, faible). Toutefois la transmutation dégageant une chaleur fantastique, elle aurait produit une gigantesque inflation de l'univers.

(revu et corrigé en Aout 2017, voir la version antérieure sur la wayback machine, 30 Janvier 2017)

Les scientifiques admettent généralement que les particules de matière noire seraient des «cendres» de cette fantastiques conflagration. De telles cendres seraient incapables d'interagir, car elles seraient à un niveau d'énergie minimum (en plus bien sûr de n'être sensibles qu'à la gravitation). Toutefois les rares observations commençant à émerger aujourd'hui parlent d'excès de rayons gamma ou de positrons dans les zones riches en matière noire, le plus tentant étant une raie à 130Gev. D'autres expériences tentent de détecter les rares impacts de particules de matière noire, avec des résultats encore douteux.

Cette énorme énergie mène à une autre hypothèse (dont je réclame la précédence à partir du 30 Janvier 2017, voir la wayback machine): les particules de matière noire ne seraient pas des «cendres», mais du «combustible» restant, c'est à dire des particules grand-unifiées survivantes de la grande (des)unification, qui n'auraient pas eu le temps de réagir à ce moment. Ainsi ces particules originelles (les particules de force unique du Big Bang) seraient toujours là aujourd'hui, mais presque indécelables.

Ce modèle tient la route si on suppose que les particules primordiales ont besoin de rencontrer un quark ou un électron pour se transformer, en recevant de l'information de lui (selon le processus vu au chapitre IV-9, où une particule a besoin de recevoir de l'information d'un domaine pour se convertir). Elles pourraient donc toujours le faire aujourd'hui, mais les occasions sont extrêmement rares, de par la très faible densité de l'univers actuel. De plus les produits de réaction seraient indiscernables de notre matière ordinaire. Seul le dégagement d'énergie signalerait la réaction. Cette même énergie qui a consumé l'univers lors de la Grande (dés)Unification.

(Ajouté le 25 Janvier 2016, revu et corrigé en Aout 2017) Ceci a une conséquence inattendue: la possibilité (très théorique) d'un «moteur à matière noire», où elle se convertit en énergie au contact avec de la matière ordinaire. Ce faisant, elle dégagerait bien plus d'énergie que l'antimatière! L'énergie de l'inflation de l'univers! Bon, en pratique, la matière noire est bien trop dispersée, et seule une gravitation extrême peut la manipuler. Donc pas de voitures à matière noire, ni même de vaisseaux spatiaux. Mais elle pourrait être suffisamment concentrée dans un disque d'accrétion près d'un trou noir. Ce qui expliquerait la fantastique énergie dégagée par certaines supernovas, les sursauts gamma et les quasars. Si la conversion de la matière noire dégage effectivement 4860 fois plus d'énergie que la fusion de l'hydrogène, on comprend que même une petite proportion suffirait à expliquer la violence incroyable de ces objets.

(Ajouté le 23 Aout 2018:) Pourquoi ne trouve t-on pas la matière noire?

Les scientifiques sont de plus en plus ennuyés: aucune des expériences destinées à détecter la matière noire n'a pu la mettre en évidence. D'après la théorie exposée plus haut, il peut y avoir deux raisons:

(Ajouté le 23 Aout 2018:) Elle serait transmutée bien avant d'arriver sur Terre.

En effet, que la matière noire ne présente pas d'interaction électromagnétique ne signifie pas qu'elle n'interagisse pas du tout. Elle pourrait même interagir facilement, en se transmutant par simple contact. Bien sûr dans les immensités des halos galactiques ou des amas de galaxies, ces interactions sont rares, et la matière noire y est stable. Mais dans une galaxie comme la nôtre, on a des nuages de poussière suffisamment denses pour bloquer la lumière. Cela pourrait aussi suffire pour absorber aussi la matière noire, expliquant qu'on n'en trouve pas dans le disque des galaxies. S'aventurerait-elle dans notre système solaire, qu'elle rencontrerait le vent solaire. En conclusion, le meilleur endroit pour détecter ces interactions serait le bord externe des disques de poussière, ou les galaxies riches en matière noire.

(Ajouté le 23 Aout 2018:) ses désintégrations seraient déjà observées, mais mal attribuées.

L'idée ici est que la transmutation aurait lieu au contact, juste avant une interaction ordinaire. Cette dernière se présenterait alors comme un impact par un rayon cosmique ordinaire! Toutefois une particule grande-unifiée ne peut pas se transmuter en n'importe quoi: le résultat doit avoir une charge électrique nulle, une charge de couleur nulle, et être symétrique matière-antimatière (puisque l'asymétrie actuelle est apparue après les particules grand-unifiées).

Si la transmutation produit une paire de particules, alors l'une des deux est forcément de l'anti-matière. De plus, l'une des deux s'échappe sans réagir, ce qui produirait un flux d'antiparticules détectable. Précisément, en recherchant des données, je trouve que des positrons ont été détectés dans les rayons cosmiques, avec un pic d'énergie à 275 Gev. Les scientifiques attribuent effectivement ces positrons à la désintégration de particules de matière noire. Il y a aussi des antiprotons, le seul baryon stable susceptible de résulter de ce processus.

Si la transmutation produit une particule unique, ce ne peut pas être un baryon, ni aucune particule avec une charge électrique ou de couleur. Ce qui laisse peu de choix: photons, boson Z, ou neutrinos (ces derniers apparaissant de plus en plus comme leur propre anti-particule). Dans le cas du neutrino, l'impact apparaîtrait comme l'action d'un neutrino de grande énergie, qu'il interagisse ou qu'il continue son chemin. Dans le cas du photon, on aurait l'apparence de l'absorption d'un rayon gamma (ce serait le fond cosmique, mais ce dernier devrait alors présenter un pic d'énergie mesurable, voire des directions privilégiées). Le cas Z provoquerait une transmutation d'un quark dans la particule impactée. Dans tous les cas, seule une observation in-situ, dans l'espace, permettrait de différencier une transmutation de l'impact d'un rayon cosmique ordinaire.

Y a t-il de la matière noire dans notre système solaire?

(Permalien) (revu et corrigé en Aout 2017)

C'est possible. En effet notre voisinage galactique en contient une proportion notable. De plus, on peut raisonner avec une particule de matière noire en termes d'orbites et de trajectoires, comme pour une vulgaire météorite. C'est à dire que la trajectoire individuelle d'une particule de matière noire peut être déviée par une étoile. C'est même comme cela que la matière noire se répand et forme ses structures spécifiques dans les galaxies.

On peut donc supposer le scénario suivant:

-Habituellement, dans notre galaxie, les particules de matière noire ont une vitesse de l'ordre de 250km/s, comme les étoiles. Ce qui ne permet normalement pas la capture par un système solaire.

-Toutefois, toutes les orbites possibles pouvant être occupées, on peut imaginer une particule de matière noire sur une orbite galactique très proche de celle du soleil.

-La vitesse relative devient alors très faible, ce qui permet une capture par interaction avec une planète. C'est comme cela que les comètes de longue période sont capturées par Jupiter, et amenées sur des orbites de courte période proches du soleil. Il peut donc bien se former un halo de matière noire autour du soleil.

Toutefois la carte gravitationnelle du système solaire est bien connue, et rien de cet ordre n'a été détecté: la quantité de matière noire en orbite autour du soleil est donc très faible. (Ajouté le 23 Aout 2018: cela a été bien étudié à propos de l'anomalie de Pioneer, qui laissait supposer une masse inconnue dans le système solaire. Mais finalement, rien de cet ordre n'a été trouvé)

Bien entendu, la matière noire peut être attirée à l'intérieur du soleil. S'y accumule t-elle? En tous cas, même si elle interagit peu, elle sera significativement freinée par son influence gravitationnelle, et elle finira par arriver dans le coeur dense, où la probabilité de réaction est plus forte. Ainsi une étoile pourrait avoir de la matière noire à l'intérieur, mais elle n'y survivrait qu'un certain temps. Mais on peut envisager que la matière noire puisse jouer un rôle significatif dans le fonctionnement des astres très denses, exactement comme les neutrinos le font.

(Ajouté le 23 Aout 2018:) Les analyses ajoutées au sous-chapitre précédent expliquent qu'il n'y aurait pas de matière noire dans notre système solaire, ou que toute matière noire qui s'y aventurerait serait rapidement transmutée, bien avant d'arriver au coeur du Soleil

Le coeur des trous noirs

(Permalien) Les équations de la relativité disent que le coeur d'un trou noir est un point. Ce qui ne satisfait pas les scientifiques, parce qu'en un point toutes les grandeurs deviennent infinies. Mais ce n'est pas ce qui me cause le plus de souci: si on admet que l'objet au centre a une certaine taille, alors ses bords sont dans le passé, par rapport à son centre. Ce qui est sans doute assez malsain. Bien sûr on peut imaginer plusieurs solutions, voire que le problème ne se poserait pas de cette façon:

-Les incertitudes de Heisenberg permettraient à la masse de subsister dans un certain volume, ou plus précisément pendant un certain temps.

-Même ainsi, la situation est inconfortable, de par la pression gigantesque. On peut supposer que l'objet au centre repasse en sens inverse par toutes les étapes du Big Bang, Grande (ré)Unification, etc. Ce qui implique qu'il en existerait plusieurs sortes, selon leur degré de retour en arrière. La théorie de l'autogénération logique précise aussi que ces transitions ne sont de pas obligées de donner toutes le même résultat: chaque trou noir serait différent.

-Si le retour en arrière est suffisant pour permettre un objet ponctuel, alors on a bien une singularité. Toutefois rien ne dit que le champ gravitationnel soit défini infiniment près de ce point. Les physiciens parlent de distance de Plank, en dessous de laquelle il n'y a plus de taille définie. Ainsi la gravitation ne serait nulle part infinie, même avec une vraie singularité.

 

Récemment Hawking a théorisé que les trous noirs se désintégreraient lentement, en émettant un rayonnement de corps noir, simplement. Cela me pose un problème: Admettons qu'un trou noir soit formé à partir d'un certain nombre de protons et de neutrons. Admettons qu'il perde de la masse. Mais le nombre de protons et de neutrons (appelé nombre baryonique) est forcé de rester constant: c'est une loi de conservation, forte et inviolable. Alors, en admettant que l'on puisse en arriver là, que reste t-il quand les protons ont perdu 99.99999% de leur masse? Et que le trou noir se débande, faute de masse? En tous cas on n'a jamais observé de tels objets, de masse très faible, mais de nombre baryonique immense. Pas de protons super-légers non plus.

Ajouté le 14 Février 2016: La récente première observation de la fusion de deux trous noirs a montré que 5% de sa masse était dissipée en ondes gravitationnelles. Ce n'est pas la même chose que le processus de Hawking, mais cela montre quand même qu'un trou noir peut perdre de la masse. Mais cela ne nous dit pas jusqu'à quel point.

Ajouté le 30 Janvier 2019: Le problème ci-dessus ne se produirait tout simplement pas, car quand le rayonnement thermique du trou noir est suffisament chaud, il peut émettre des particules par le processus de Hawking, et donc diminuer son nombre baryonique. Toutefois, comme il a perdu de l'énergie dans des collisions, il ne contient toujours pas assez d'énergie pour matérialiser toutes les particules permise par son nombre baryonique. De sorte que très probablement, le processus de Hawking marcherait de moins en moins bien près de la fin de l'évaporation d'un trou noir, pour finalement stopper. L'émissivité d'un trou noir tendrait alors vers zéro, annulant le processus de Hawking avant l'évaporation totale.

Ajouté le 30 Janvier 2019, d'une question Quora: Un problème supplémentaire est que un trou noir de température inférieure au fond cosmologique (2.3°K) reçoit plus d'énergie qu'il n'en émettrait. L'évaporation n'existerait tout simplement pas, pour les trous noirs stellaires. Et on ne connaît pas de mécanisme formant des trous noirs plus petits.

Ajouté le 30 Janvier 2019: Domage, car un trou noir dans cet état pourrait alors servir de «réacteur» façon Star Wars: sa masse resterait en gros constante, et il suffirait d'y jeter de la matière quand on aurait besoin qu'il produise de l'énergie.

 

Les trous noirs sont un excellent exemple d'un sujet qui a été jusqu'à récemment considéré comme pseudo-scientifique par le système. Pourtant les scientifiques ont théorisé leur existence (même à contrecœur) depuis les années 1930. Et surtout, tout le monde pouvait voir depuis 1918 le puissant jet émanant du cœur de la galaxie M87 (trouvé par l'astronome américain Heber Curtis de l'Observatoire Lick, et précisément cette galaxie a été surnommé «Virgo jet », même si sa nature galactique n'a été reconnue qu'en 1956). Quand j'étais gamin, j'étais abasourdi par ce jet de milliers d'années-lumière: il devait y avoir quelque chose de monstrueusement gros et puissant, beaucoup plus gros que toute étoile possible, pour produire une si énorme langue de feu. Mais mes demandes d'explication n'avaient reçu que cette seule réponse: le noyau des galaxies contenait «seulement» un amas dense d'étoiles (qui, par magie, ne se tamponnaient jamais). Et le jet était «un mystère». Et en plus j'étais un gamin, de sorte que je «ne pouvais pas comprendre»! C'était en 1961, et, en France, pays des Lumières, les écoles publiques interdisaient encore aux enfants de regarder l'éclipse...

Ce genre de choses est probablement pourquoi nous avons tant de théories pseudoscientifiques aujourd'hui: leurs auteurs tirent au hasard, dans l'espoir d'attraper une théorie qui serait reconnue plus tard. Malheureusement pour eux, le cœur de la science n'a qu'un seul amour: la vérité. De sorte que sa reconnaissance ne peut être gagnée qu'au prix de beaucoup de travail et d'intelligence, et la longue file des prétendants rejetés doivent rentrer à la maison, leur pénis en berne...

L'origine des comètes

(Permalien) C'est un vieux mystère, objet de nombreuses recherches. Les scientifiques s'accordent à dire que les comètes seraient des résidus de la formation du système solaire, précisément du bord extérieur du disque d'accrétion. Mais il y a un hic: les comètes ne sont pas en orbite, mais sur des trajectoires de chute libre. Certaines ont si peu d'énergie orbitale qu'elles tamponnent carrément le Soleil (La plupart des comètes connues ont des orbites elliptiques. Mais ceci résulte de leur capture par les grosses planètes comme Jupiter. Les comètes qui n'ont jamais interagi avec une planète ont des orbites de chute libre. Appelons-les des comètes vierges, par opposition aux comètes capturées)

Donc, les scientifiques postulent l'existence d'un énorme réservoir de comètes à une grande distance du Soleil, qui tourneraient si lentement que certaines n'arriveraient que aujourd'hui. Je suis sceptique, car, en 4,5 milliards d'années, les plus lointaines ont quand même eu des centaines d'occasions d'approcher le soleil, alors qu'une seule rencontre peut les capturer ou les détruire.

Quoi qu'il en soit, cela n'explique pas pourquoi elles sont en chute libre. Il faut pour cela qu'elles ne soient pas formées en orbite, mais à un endroit fixe par rapport au Soleil. Et puisque leur temps de chute libre est très court par rapport à l'âge du système solaire, ceci implique que c'est arrivé récemment, peut-être c'est même encore en cours aujourd'hui.

Je ne vois qu'une explication: les comètes se formeraient à l'arc de choc (bow shock), l'endroit où le vent solaire rencontre le vent galactique. Aujourd'hui, nous sommes dans une région de la galaxie de gaz chaud de densité relativement faible, mais il y a quelques millions d'années le Soleil a traversé un bras galactiques, éventuellement des nuages de poussière denses et froids. Dans ce cas, l'arc de choc est beaucoup plus dense, plus proche et plus froid, de sorte que la matière était en mesure se s'accréter en comètes, en utilisant le procédé de poussière froide chargées électriquement que nous verrons au chapitre VIII-2.

 

A la rigueur, les matières carbonées si communes dans les météorites, et que l'on pense être des résidus de comètes, pourraient ne pas être de la matière originelle du système solaire, mais la matière capturée plus tard, lors de la traversée d'un nuage dense dans un bras galactique.

 

Un dernier mystère peut aussi recevoir une solution très simple. Plusieurs comètes récentes, comme Kohoutek ou Ison, affichaient une luminosité exceptionnellement élevée alors qu'elles étaient encore loin du Soleil, ce qui a conduit les astronomes à les annoncer comme la «comète du siècle», promettant des manifestations spectaculaires. Mais elles furent à peine visibles à l'œil nu. La question est: pourquoi ces comètes vierges sont plus lumineuses que les comètes capturées, alors qu'elles sont encore dans les parties extérieures du système solaire? Il y a une réponse simple: les véritables comètes vierges auraient du givre, qui se sublime facilement, ce qui les rendraient bien plus lumineuses alors qu'elles sont encore loin. Mais quand elles se rapprochent du centre, ce givre est parti, et elles sont alors comme toute comète capturée, dégazant principalement de la vapeur d'eau. Du givre a effectivement été observé par la Sonde Rosetta: il se forme la nuit, et se dissipe en une minute au lever du soleil.

Ce qui correspond bien au modèle ci-dessus, où ces comètes se seraient formées récemment, et s'approcheraient du Soleil pour la première fois.

Le climat de Mars, l'eau et les traits géologiques bizarres

(Permalien) Ajouté en Février 2017:

La récente étude de Mars par des rovers comme Opportunity et Curiosity a apporté des résultats contradictoires: il y a des preuves très sûres de grands écoulements d'eau, mais il n'y a pas assez de CO2 dans l'air pour maintenir un climat suffisamment chaud pour l'eau liquide. Ce manque de CO2 se déduit du manque de roches carbonatées. Les photographies orbitales montrent également un grand nombre de formes géologiques étonnantes, qui n'ont pour la plupart aucun équivalent sur Terre: énorme chaos, écoulements d'eau cataclysmiques, sources surdimensionnées (asséchées depuis), etc.

Je donne ici un modèle expliquant tout cela, dont je réclame la précédence pour février 2017.

Tout d'abord, nous observons sur Mars plusieurs «montagnes de poussière», qui seraient des restes d'anciennes calottes polaires. Sur Mars les calottes polaires sont des pièges froids attirant le peu d'eau présent dans l'air. En plus, les vents y déposent un mélange de poussière, de sulfate et de glace, dont les proportions exactes peuvent dépendre de l'époque. La pression cimente ensuite la glace, ou le sulfate, ce qui en fait un matériau solide. Ces choses sont visibles par exemple dans Lucus Planum, qui fait partie d'une ceinture au sud-ouest de Olympus Mons, et dans de nombreux cratères, comme le mont Sharp dans le cratère Gale. Opportunity a atterri sur un tel terrain, principalement du sulfate de fer. Ces choses sont aujourd'hui sèches et poussiéreuses, parce que la glace d'eau sublime rapidement. Mais sous cette mince surface sèche, la composition globale peut encore être un mélange ferme de poussière et de glace d'eau.

Bien que ce soit moins évident, des endroits comme Margaritifer Terra pourraient également être de tels dépôts. Cet endroit, et beaucoup d'autres, montrent de grandes fissures polygonales et des chaos, donnant l'impression qu'une couche superficielle rigide aurait cédé, puis aurait été transportée au-dessus d'une couche souterraine boueuse. Cela peut s'expliquer de la façon suivante: lorsque les couches de boue congelées sont assez épaisses, la chaleur géothermique peut fondre la couche par le bas. Ou tout simplement la couche est salée, expliquant qu'elle reste molle dans le froid martien! Ce qui se passe alors dépend de la composition, de l'épaisseur, de la pente, etc.

Dans un premier scénario, le fluide reste boueux, mais se déplace comme un glissement de terrain, résultant en:

-En amont, des fissures et des chaos dans les couches superficielles, quand la boue s'écoule s'écoule par-dessous, voire des vallées entières comme Valles Marineris et ses dépendances.

-Formes d'écoulement similaires à des glaciers, dans les fonds de vallée, ou flux de boue cordés.

-En aval, des alluvions, les plaines de boue, etc.

-Les éjectas lobés résulteraient également d'un impact dans de la boue, ou dans des sédiments pulvérulents (boue séchée).

Un des meilleurs exemples montrant toutes ces caractéristiques est Dao Vallis, qui s'est très probablement développé dans une double couche de boue séparée avec une coulée de basalte.

Un second scénario se produit si le mélange permet la séparation de la partie limoneuse et de l'eau liquide. De grandes cavités d'eau liquide peuvent alors se développer. Mais elles sont instables, en raison de la force d'Archimède, et ainsi elles peuvent éclater soudainement, quand elles trouvent un chemin vers la surface. Cela peut se produire soudainement, car la couche de surface est dure, et quand une fissure s'ouvre elle gèle immédiatement, ce qui la rend imperméable à l'eau. Les plaines de boue continentale de Mars montrent une grande quantité de trous qui sont la source de grandes traces d'écoulement, en particulier autour de Cerberus Fossae. Mais quand l'écoulement s'arrête, l'eau restante gèle, puis se sublime, laissant un trou vide «inexplicable» au point de départ de l'écoulement.

Le comportement de la boue congelée de Mars peut être très semblable à ce que l'on trouve dans la péninsule de Yamal. Cependant les conditions étant différentes, les formes de terrain dans Yamal, comme le fameux cratère de Bovanenkovo, sont différentes. Nous pouvons également voir en Islande sur ce qui se passe lorsque des volcans émergent sous des glaciers.

De cette manière, la plus grande partie de la surface de Mars peut avoir été remodelées plusieurs fois par des écoulements de boue successifs. Les plus grands peuvent être la conséquence de lents affaissements géologiques, ou de bombements de la surface, suite à des transformations en profondeur à l'intérieur de Mars. C'est ainsi que furent formés le dôme de Tharsis, le bassin de Hellas et le bassin des plaines du Nord. Mais aujourd'hui, les tendances semblent avoir changé, résultant en la ligne de failles récente et active de Cerberus Fossae, qui est également la source de nombreux écoulement très récents, voire est probablement encore active.

 

Les éruptions de boue liquide produisent des motifs de surface uniques à Mars, que l'on peut voir dans de nombreux écoulements récents: une couche de glace pure se forme à la surface de l'écoulement, tout en se fissurant de par son mouvement. De la boue liquide remplit alors les fissures. Lorsque le flot s'arrête, il fige en masse. Mais alors la glace pure se sublime entièrement, tandis que la boue reste en place, à l'abri de la sublimation, et gelée. Il en résulte des motifs de type banquise fissurée, en négatif, montrant les fissures de glace en relief, comme on peut le voir dans de nombreux endroits à Athabasca Vallis et Marte Vallis. Un cas spectaculaire est visible à 4°2'60"N, 149°39'60"E.

 

Ceci explique beaucoup de caractéristiques bizarres de Mars, mais pas les plus grands écoulements d'eau. C'est là que nous arrivons à ma contribution originale. Sur Mars, les éruptions volcaniques sont rares, mais elles peuvent être très volumineux, et donc courtes, émettant de grandes quantités de vapeur et de CO2 en quelques heures. De telles éruptions volcaniques humides sont connues sur Terre, où elles peuvent résulter en pluie. Cette vapeur pourrait alors former une atmosphère temporaire, avec son propre effet de serre, apparaissant probablement comme un grand nuage blanc neige, s'étendant autour du volcan ou le long des pentes. Il pourrait même envelopper totalement la planète. Il y a donc un moment où l'eau liquide peut exister en dessous de la vapeur. Cependant, une telle atmosphère temporaire n'est pas stable, et elle se transformera rapidement en eau liquide, en quelques heures. Ces événements se traduiraient alors par des épisodes de pluie de taille biblique, couvrant toute une région, capables de creuser les nombreux grands chenaux visibles sur Mars. En effet, ces chenaux semblent formés par des épisodes catastrophiques, contrairement à nos vallées terrestres formées par des petits cours d'eau constants. De telles crues torrentielles sont aussi connues sur Terre, et ce n'est alors pas de l'eau qui coule, mais de la boue, capable de transporter des blocs de roche dure, et beaucoup plus efficaces que l'eau à éroder le terrain. Un bon exemple en est Maadim Vallis. Précisément le rover Spirit a atterri sur le delta alluvial de Maadim Vallis, qui a rempli en partie le cratère Gussev. Ce terrain est apparu formé d'un mélange de terre et de pierres basaltiques, typique des laves torrentielles résultant de fortes pluies. Comme preuve, ce terrain montre un ménisque au contact des formes de relief plus anciennes, qui correspond au comportement de la boue épaisse. Curiosity a atterri sur le même type de terrain, mais il a rapidement trouvé des dépôts de grès résultant d'événements plus doux. Néanmoins, très probablement aucun de ces événements n'a duré plus de quelques heures, au mieux quelques jours, jusqu'à ce que l'eau ait gelé et toute glace exposée se soit sublimée.

Certains types de lave se brisent également en poussière lorsqu'elles contiennent de l'eau, comme dans l'éruption du Pinatubo. Ces éruptions peuvent former de la boue, ou des dépôts mous, y compris sur les cônes volcaniques eux-mêmes. Cela expliquerait beaucoup de formes volcaniques de Mars, comme dans Arsia Mons. Même Ulysse Patera et Tharsis Tholus montrent des éjectas lobés, comme si ces volcans étaient faits de boue, ou au moins de dépôts pyroclastiques pulvérulents.

 

Mais de loin, les plus grandes inondations sur Mars sont sorties du grand canyon du système Mariner Vallis, qui rejoint côté ouest les systèmes de failles autour du dôme de Tharsis et s'étend vers le nord-est jusqu'au chaos de Lani. Ce qui est probablement arrivé, serait que des failles se seraient ouvertes dans le soubassement de roc dur, sous une couche épaisse de plusieurs kilomètres de boue gelée, probablement soulevée par le bombement du dôme de Tharsis. Puis la chaleur géothermique aurait émergé le long des failles, directement ou par des coulées de lave souterraines. Il en aurait résulté une fusion étendue des couches inférieures de boue. Selon les conditions locales, les couches supérieures seraient restées en place, ou auraient cédé pour former les canyons, ou encore elles auraient été entraînées, pour former les chaos. En tout cas, ces événements ont donné lieu à des déferlements d'eau colossaux vers le bassin nord.

La vie nucléaire

(Permalien) Ajouté le 16 Juin 2016:

Je ne sais pas si Greenpeace aimera l'idée d'une vie nucléaire :-). J'ai vu cette idée mentionnée dans une revue scientifique (je ne me rappelle plus par qui, désolé): si notre vie moléculaire est basée sur les interactions entre molécules, une vie nucléaire serait basée sur les interactions entre particules nucléaires. Il est difficile de savoir si une telle chose est possible, mais en tous cas cette hypothèse mène avec une rigueur mathématique à des conséquences bien plus extraordinaires que les spéculations de la science fiction la plus échevelée.

Tout d'abord, les conditions physiques nécessaires sont une pression et une température fantastiques, telles que nos noyaux atomiques ordinaires seraient brisés, ou des noyaux extraordinaires deviendraient stables, menant à un nouvel état de matière entièrement nucléaire. Ces conditions sont réalisées à plusieurs niveaux, dans une étoile à neutrons. Près de la surface, à la transition entre matière atomique et matière nucléaire, et plus profond, près du centre, où des hypérons pourraient exister (particules nucléaires lourdes contenant des quarks inhabituels, tels que le quark étrange, stabilisés par la pression). Ainsi une étoile à neutrons pourrait avoir plusieurs «écosphères» imbriquées.

 

Une des conséquences les plus extraordinaires de cette hypothèse est que, pour des êtres vivants formés de matière nucléaire, leur temps subjectif serait des milliards de fois plus rapide que le nôtre: le temps d'un clin d'oeil sur Terre, des milliers de générations se seraient succédées dans une seule étoile à neutrons habitée de tels êtres. De plus, pour eux, leur monde leur apparaîtrait sphérique comme la Terre, mais des milliers de fois plus grand: un monde avec 100000 continents, et autant de milliards d'habitants, de civilisations, de races, de religions, etc. Si de telles choses existent, alors il pourrait y avoir infiniment plus de gens sur les étoiles à neutron que sur les planètes.

De tels êtres ne pourraient toutefois pas voyager dans l'espace: leurs corps se désintégreraient dans un flash de radioactivité. Pourraient-ils communiquer avec la Terre? Si ils essaient, leurs signaux sont à rechercher dans le spectre gamma. Mais il pourrait leur être difficile de penser que des êtres moléculaires tels que nous puissent exister. De toutes façons à leur échelle de temps la communication serait difficile: la lumière prends déjà plusieurs générations pour juste faire le tour de leur monde. Pas d'internet, donc, et même pas de Marco Polo: leurs continents seraient aussi isolées et séparées que les étoiles dans notre monde moléculaire.

 

Ce que l'article ne précisait pas, c'est que notre univers entier aurait pu s'y prêter, lors des microsecondes qui ont suivi le Big Bang, quand il était encore rempli d'une soupe de particules nucléaires. Plus tôt dans son histoire, le plasma de quark-gluons aurait pu s'y prêter aussi (sa complexité vaut bien celle de la soupe primitive de l'expérience de Stanley Miller). Plus tôt encore, avant la grande (dés)unification, d'autres conditions favorables auraient pu exister à différentes époques. Bien sûr, plus on remonte loin plus c'est spéculatif, mais l'idée ci-dessus de scientifiques assistant à la grande (dés)unification n'est pas totalement impossible.

Section II: La structure et l'évolution des galaxies

(Permalien)

Correction

(Permalien) J'ai été obligé de rétracter le plus gros de cette section, en Aout 2017, suite à une erreur repérée le 1 Mai 2017. Voir la version supprimée sur la Wayback machine, le 30 Janvier 2017.

En effet, cette première version était basée sur une affirmation fausse régulièrement publiée dans les médias, comme quoi la vitesse (linéaire) des étoiles autour d'une galaxie serait indépendante du rayon de leur orbite. Ce qui, à l'aide de quelques calculs simples, aurait mené à une loi de densité en 1/R2 pour toutes les galaxies. J'avais donc tiré des conclusions de cette loi, sur la structure et l'évolution des galaxies. Toutefois des publications plus professionnelles indiquent une loi exponentielle totalement différente. Cette loi en 1/R2 est donc fausse, ainsi que la plupart des conclusions et mécanismes que j'en avais déduit. Ce genre d'erreur n'est pas la première fois: c'est ce qui arrive régulièrement quand on tente de faire de la science à partir des informations «simplifiées» publiées dans les médias, y compris par des médias «scientifiques».

Toutefois je refuse de porter la responsabilité de cette erreur, car elle n'est pas de mon fait, et elle vient de sources supposées fiables.

Ce qui reste est moins original, mais il y a tout de même quelques éléments dont je réclame la précédence, voir le wayback machine du 30 Janvier 2017.

La structure des galaxies elliptiques non perturbées

(Permalien) Il a été publié plusieurs versions de la loi de répartition de la densité d'une galaxie elliptique. Le contenu de la page wikipédia sur ce sujet a été modifié plusieurs fois. Les astronomes semblent n'être arrivés que récemment à un modèle dit PoLLS (Power Law Logarithmic Slope). En tous cas le seul résultat Google est un papier publié par l'Université Cornell, signé Cardone, Piedipalumbo, Tortora, sur lequel je me base donc. L'équation 10 page 3 indique que la densité décroît exponentiellement avec le rayon, à une raison qui est elle-même une puissance du rayon. La densité d'une galaxie décroît donc exponentiellement, avec une raison différente selon qu'on est près du centre ou en périphérie.

Ainsi, si on suit un rayon jusqu'à l'infini, la masse n'augmente que d'une quantité finie. Des modèles plus anciens avaient la masse croissant à l'infini le long du rayon, ce qui nécessitait une troncature à une certaine distance pour avoir un sens physique (et pour pouvoir calculer des intégrales, comme la masse en fonction du rayon). (Mon faux modèle en 1/R2 avait aussi ce problème, nécessitant une troncature. Je me «console» donc en pensant que les astronomes professionnels ont aussi eu à affronter cette difficulté.

Ce modèle PoLLS ne mène pas non plus à une densité infinie au centre, ce qui élimine d'autres difficultés.

Toutefois il y a un paramètre libre γ, qui définit différent profils de densité pour le même rayon moyen. Selon ce paramètre, une galaxie d'un rayon moyen donné peut être plus ou moins floue.

 

Dans une galaxie, les étoiles sont si nombreuses que l'on peut les traiter comme un «gaz», exactement comme nos gaz ordinaires qui sont formés de molécules. Leur grand nombre permet de définir des quantités thermodynamiques qui sont des moyennes statistiques, homologues de la pression, densité, et température familières.

Ma contribution était alors (et je réclame toujours la précédence en date du 30 Janvier 2017, car je ne l'ai jamais vu publiée) que la répartition de la matière dans une galaxie résulte d'un équilibre thermodynamique, entre la pression du «gaz» d'étoile et son propre champ de gravitation. C'est cet équilibre qui mènerait à la répartition exponentielle PoLLs vue ci-dessus. On peut même supposer que le paramètre γ ci-dessus traduirait l'effet de la «température». En effet, on imagine aisément que, à masse et nombre d'étoiles égal, une galaxie avec des étoiles plus agitées s'étalera davantage.

 

Ces raisonnements vaudraient aussi pour les amas globulaires. Toutefois ces derniers ont souvent des répartitions différentes, pour deux raisons:

-Ils oscilleraient, alternant périodes compressées et dilatées

-Les rencontres entre étoiles produisent des fusions, ou des séparations de systèmes binaires, ce qui complique les choses. Thermodynamiquement, ces rencontres seraient équivalentes à des «réactions chimiques», changeant les propriétés statistiques du «gaz» d'étoiles, et donc la répartition à l'équilibre.

 

Mon seul regret dans la version supprimée était de ne pas avoir été capable de démontrer ma loi de répartition, à partir de l'équation d'état du «gaz» d'étoile (qui est aussi celle de la matière noire). Mais les astronomes professionnels n'y sont pas arrivés non plus: le papier ci-dessus propose un «fit», c'est à dire une équation qui colle au mieux aux observations, et non pas une démonstration comme en thermodynamique classique. Probablement le problème est plus complexe avec des étoiles qu'avec les molécules.

La formation du trou noir central

(Permalien) Mon faux modèle en 1/R2 avait un trait séduisant: la densité croissait à l'infini au centre, ce qui expliquait naturellement la formation d'un trou noir à cet endroit. Qui plus est, ce trou noir avait une taille représentant une proportion constante de la galaxie, puisque si il dépasse une certaine masse, alors l'équilibre thermodynamique vu ci-dessus empêche davantage d'étoiles d'en approcher. Précisément les astronomes semblent avoir remarqué une telle loi.

Toutefois la loi PoLLs indique que le centre a un profil plutôt plat, ce qui ne donne pas automatiquement un trou noir, et encore moins une proportion constante. On est donc obligé d'admettre que ce trou noir apparaît par coalescences hiérarchique entre étoiles, et que la loi de proportion n'est qu'une statistique. Recherchant davantage sur cette loi (Aout 2017), j'ai finalement trouvée qu'elle n'avait été établie que sur 75 galaxies... et que l'on connaît déjà une douzaine d'exceptions. C'est donc une moyenne statistique, plutôt qu'un déterminisme.

Juste que, plus une galaxie est grosse, plus ces rencontres se produisent rapidement: les grosses galaxies ont toujours un trou noir, mais les amas globulaires rarement, ou pas du tout. En effet, pour qu'une rencontre se produise, un astre massif doit se freiner, en perturbant les champs d'étoiles qu'il traverse. Plus cet astre est gros, et plus le freinage est efficace, ce qui mène donc à des coalescences en chaîne, s'accélérant exponentiellement. Et ce d'autant plus rapidement que la galaxie est grosse. Il est toutefois difficile de fixer la limite exacte à laquelle un trou noir central apparaît, car c'est un processus au hasard. Ainsi certains amas globulaires pourraient en avoir un, tandis qu'on n'a pas encore trouvé de trou noir central dans le Grand nuage de Magellan, pourtant bien plus gros. Ce qui arrive probablement est que dans ces objets il y a une concentration d'astres massifs, qui n'ont pas encore eu le temps de se rassembler en un seul.

Qu'il existe de gros trous noirs de masse «anormale» suggère une origine totalement différente dans ce cas: des rassemblements de matière noire, qui se seraient produits avant la formation des galaxies et des étoiles. Mais il y a d'autres explications plus classiques: lors d'une coalescence de galaxie, certaines géométries seraient bien plus propices à la chute d'une grande quantité de matière dans un seul centre. Imaginons par exemple deux galaxies identiques, tournant en sens inverse, et se rencontrant à plat, comme des cymbales. En théorie tout le gaz a sa rotation annulée, et tombe donc rapidement au centre, produisant un trou noir extra-large. Les situations réelles pourraient être presque aussi efficaces: les coalescences de galaxies laissent souvent des galaxies elliptiques vides de gaz, indiquant qu'il a été entièrement absorbé, probablement lors d'une coalescence, formant un gros trou noir.

 

On peut se demander pourquoi le trou noir central n'avale pas toute sa galaxie. La raison est simple: pour qu'une étoile en orbite puisse s'approcher, il faut qu'elle dissipe son énergie cinétique. Un processus qui pourrait prendre des milliers de milliards d'années pour une galaxie comme la nôtre.

Galaxies spirales

(Permalien) Les galaxies spirales ont un fonctionnement différent des elliptiques. On a vu que dans une elliptique, la densité en fonction du rayon résulte d'une statistique thermodynamique. Cette statistique a lieu entre des objets bien particulier, les étoiles, qui ne se rencontrent pas (ou peu) et n'interagissent pas entre elles (pas de champs électriques ou autres). Elles n'interagissent que par leur champ gravitationnel. La matière noire a la même propriété, ce qui explique qu'on ne peut pas la différentier des étoiles, autrement bien sûr que par son manque de luminosité. Les deux agissent de concert pour donner une répartition de type PoLLS unique, même si la proportion de matière noire est plus forte dans le halo.

 

Dans une spirale, exactement les même processus se déroulent. Toutefois il y a un phénomène supplémentaire: de la matière intergalactique fraîche tombe sur la galaxie. Cette matière est si diluée que les atomes ne s'y rencontrent pas, et elle suit simplement le champ gravitationnel, se comportant alors comme de la matière noire. On avait même supposé que la matière noire serait cela, mais cette explication n'a pas été retenue.

Toutefois, en s'approchant du centre de la galaxie, cette matière se comprime. Alors à un moment, sa densité devient suffisante pour permettre à ses atomes de se rencontrer, ce qui mène à une statistique thermodynamique différente, celle des gaz (les gaz ordinaires que nous connaissons). Et cette statistique mène les gaz à se rassembler selon une géométrie très différente de la répartition PoLLS: un disque d'accrétion. Là est l'origine du disque des galaxies spirales.

Ce disque s'enrichit de tout le gaz frais qui tombe dessus. Mais passé une certaine densité, la matière qu'il contient se transforme en étoiles, selon le processus bien connu. (en toute rigueur ce processus forme aussi de la poussière, mais cette dernière finit aussi par se rassembler dans les étoiles).

Ces étoiles, une fois formées, n'interagissent plus avec le gaz du disque. Elles échappent donc à la thermodynamique des gaz, pour retrouver celle des étoiles et de la matière noire, celle qui donne la répartition PoLLS.

 

Ainsi les gaz jouent-ils un rôle de pompe, qui attire de la masse au niveau du disque, bouleversant la répartition PoLLS. Ce qui pourrait se traduire par une bosse, un excès par rapport à la courbe PoLLS idéale (densité en fonction du rayon), à cet endroit, dans les spirales en train d'absorber de la matière intergalactique (prédiction faite le 15 Août 2017). Je ne serais donc pas surpris que les courbes de densité observées montrent finalement une telle bosse. D'autant plus accentuée que le taux d'absorption est élevé. Malheureusement, les rares courbes publiées dans les revues accessibles au public montrent de tout: un plat, un simple changement de pente, voire même un creux. A la décharge de ces revues, on précisera tout de même que ces courbes sont difficiles à établir, et que cela n'a été tenté que dans un petit nombre de galaxies. De plus c'est souvent la courbe de vitesse qui est publiée. Une bosse sur la courbe de densité se traduit alors par une partie avec une pente plus raide sur la courbe de vitesse. Et c'est bien ce que certaines courbes publiées semblent montrer. On saura quand ces courbes seront établies avec suffisamment de précision (et que les revues destinées au grand public publieront ce résultat exact. Un texte en jargon incompréhensible qui coûte 30 dollars la consultation n'est PAS une publication. Un article d'une page qui ne contient pas plus d'information que le titre NON PLUS).

 

Ce que ma théorie précédente prévoyait, est que l'équilibre thermodynamique devrait toujours ramener la courbe de densité d'une galaxie à l'équilibre. Ce raisonnement vaut bien entendu aussi pour une loi PoLLS. Ce qui mène à un résultat qui lui est par contre bien vérifié: la nécessité de maintenir l'équilibre thermodynamique (de maintenir la courbe PoLLS) fait que l'apport de matière fraîche au niveau du disque pousse la matière plus ancienne, soit vers le noyau, soit vers le halo. De là proviennent le bulbe et le halo bien séparés des galaxies spirales, tous deux formés d'étoiles anciennes. (précédence réclamée pour le 30 Janvier 2017, voir wayback machine) Ce n'est que quand l'apport de matière fraîche cesse, que l'équilibre thermodynamique efface la bosse et fait fusionner ces deux structures en une seule, pour former une galaxie elliptique normale, à l'équilibre.

En pratique, on observe effectivement tous les états intermédiaires: un disque large, un disque étroit, une simple bande de poussière, et plus de disque du tout.

Et la matière noire?

(Permalien) Elle ne peut jamais interagir selon la thermodynamique des gaz. Elle ne forme donc jamais de disque d'accrétion. Ce qui l'empêche de se freiner en approchant une galaxie. Ce serait pourquoi les particules de matière noire restent en périphérie, dans le halo des galaxies, voire dans les immenses halos des amas. Par contre elles le font toujours suivant la répartition PoLLS.

Si une galaxie spirale contenait de la matière noire à l'origine, alors elle aurait aussi été poussée vers le centre, ou vers le halo. Toutefois on n'observe pas de matière noire au centre des galaxies, ce qui donne un indice sur leur formation: la matière noire, supposée avoir accéléré la formation des galaxies, n'aurait en fait que préparé le terrain, en formant les halos des galaxies. Seule la matière ordinaire aurait pu freiner et s'approcher plus près du centre, grâce à ses propriétés thermodynamiques différentes. D'où l'impossibilité de galaxies noires (que l'on n'observe effectivement pas, même si on trouve quelques galaxies anormalement riches)(précédence demandée pour le 17 Aout 2017).

Conclusion

(Permalien) On a donc un modèle simple, basé sur des fait connus ou des hypothèses sûres, qui prédit l'ensemble des traits, rapports dimensionnels et comportements des galaxies, et même pas mal de détails. La seule hypothèse non prouvée est que la matière noire est bien de la matière, et non pas un champ ou quelque effet relativiste incompris. Mais puisque de toute façon elle se comporte comme de la matière, on ne prend pas de risque.

 

A ce point, on devrait pouvoir déduire l'équation d'état de la matière noire. Ceci aurait été fait, et selon un scientifique que j'avais rencontré dans le «Science Center» de Second Life, elle correspondrait effectivement à celle de particules n'interagissant que par la gravitation. En toute rigueur, j'aurais pu le faire aussi, mais je n'ai pas toutes les données sûres.

 

Pour finir, je me permet ici une petite prédiction curieuse (3 Janvier 2016): certaines galaxies contiennent de larges nuages de poussière obscure. Un exemple est M104, bien connue sous le nom de Galaxie du Sombrero, entourée d'une vaste ceinture de poussière opaque, où apparemment des étoiles ne se forment pas. Pourquoi ne se formeraient t-elles pas, dans un milieu qui a toutes les caractéristiques pour en former? C'est que, si des étoiles se forment ici, alors elles sont surtout formées de poussière, de sorte qu'elles ne peuvent pas démarrer de réactions nucléaires (ou très peu). On aurait alors une nouvelle catégorie d'astres, les géantes brunes, des objets rocheux comme la Terre, mais aussi massifs que des étoiles. Probablement leur surface reste incandescente, et autres propriétés étonnantes. Elles auraient vraisemblablement une atmosphère épaisse, qui leur donnerait l'aspect de naines rouges, mais bien plus petites à masse égale (et donc bien plus difficiles à détecter). J'ignore si de tels astres existent vraiment, et si oui, en trouvera t-on un jour?

(Ajouté le 17 Aout 2017) vu les énormes pressions régnant à l'intérieur de tels objets, il seraient probablement réduits à la taille d'une naine blanche. Et, comme une naine blanche, ils émettraient une lumière très bleue. Le spectre ne serait pas forcément différent, puisqu'ils pourraient avoir une atmosphère, par exemple d'hydrogène. Mais leur rapport masse sur rayon serait différent. Leur moyenne serait probablement inférieure aux masses habituelles des étoiles, de par leur formation à partir d'une matière très poussiéreuse.

 

 

 

 

 

 

Epistémologie Generale        Chapitre IV-10       

 

 

 

 

 

 

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