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Climatosceptisme : L’innocence du carbone (vraiment ?)

À la rentrée universitaire 2014, je débutais un cours intitulé « Physique et Société » à l’université Paris Diderot. Dans ce cours, je parle, entre autre chose, du réchauffement climatique. Pour préparer cette partie, j’ai dû lire beaucoup de choses, n’étant pas un spécialiste des sciences du climat. C’est ainsi qu’au détour d’un échange de mails avec des amis, je suis tombé sur le livre de François Gervais : « L’innocence du carbone – L’effet de serre remis en question » ; l’auteur étant professeur émérite de (…) -
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La matière noire dévoilée dans les collisions d’amas de galaxies

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Il est décidément beaucoup question de matière noire ces derniers temps… C’est au tour d’une équipe de chercheurs britanniques avec à sa tête un jeune chercheur officiant à l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, de nous offrir dans le tout dernier numéro de Science, une belle étude sur l’auto-interaction des particules de matière noire grâce à l’étude de dizaines de cas de collisions d’amas de galaxies.


15 configurations parmi les 30 étudiées par Harvey et al. montrant la répartition spataile des trois composantes de masse : gaz (en rouge), galaxies (en vert) et matière sombre (en bleu). Les images de fond sont des images du télescope spatial Hubble (Harvey et al., Science)
Comme les galaxies prises indépendamment, les amas de galaxies sont apparemment emplis de matière noire, celle-ci étant préférentiellement composée de particules massives interagissant très très faiblement avec la matière ordinaire hormis par gravitation. Il y a quelques nombreuses années déjà, une observation d’un amas appelé l’amas du Boulet avait fait beaucoup parler d’elle car cet amas était issu de la collision de deux amas, et il avait permis de cartographier l’emplacement théorique de la matière noire par des mesures de lentilles gravitationnelles et celle de la matière ordinaire, lumineuse ou moins lumineuse, et ses deux distributions ne coïncidaient pas, indiquant des caractéristiques d’interactions très différentes entre matière ordinaire et matière noire.
C’est en partant du même principe que l’équipe de David Harvey a pris comme sujet d’étude toutes les collisions d’amas disponibles par des observations conjointes effectuées avec les deux télescopes spatiaux Hubble (dans le visible) et Chandra (en rayons X) et qui offraient de surcroit un effet de lentille gravitationnelle sur des galaxies lointaines en arrière plan. 
Ainsi, la masse équivalente de matière noire peut être cartographiée assez précisément d’un côté avec l’effet de lentille gravitationnelle (qui cartographie en fait la courbure locale de l’espace-temps), et de l’autre, le gaz diffus par son rayonnement X et enfin les galaxies par leur émission visible ou UV.
La plupart des modèles de matière noire fonctionnent bien aux très grandes échelles mais pose encore des problèmes à l’échelle des galaxie et des petits amas : le profil de densité devrait être plus concentré au centre des amas de galaxies, les sous-structures galactiques devraient être plus nombreuses et notre galaxie devrait posséder plus de galaxies naines satellites capables de produire des étoiles, par rapport à ce que nous observons. Ces petites incohérences peuvent être résolues si les particules de matière noire sont de type “chaudes”, c’est à dire plutôt des particules très légères (des neutrinos plutôt que des WIMPs, pour faire court), ou bien si ces particules de matière noire interagissent d’une certaine manière entre elles.
Images composites en visible (bleu) et rayons X (rose) de quelques amas
X-ray: NASA/CXC/EPFL, /D.Harvey & NASA/CXC/Durham Univ/R.Massey;
Optical & Lensing Map: NASA, ESA, D. Harvey and R. Massey (Durham University, UK)
Pour évaluer comment les particules interagissent les unes sur les autres, on utilise un paramètre que l’on appelle le transfert d’impulsion par unité de masse, sigma/m, qui à la dimension d’une section efficace par unité de masse, exprimée en cm²/g. Pour résoudre notre petit problème de matière noire, nos chères particules doivent avoir un transfert d’impulsion par unité de masse qui soit compris entre 0,1 et 1 cm²/g. Des extensions du modèle standard des particules donnent une valeur pour ce paramètre, qui vaudrait justement 0,6 cm²/g et l’étude de l’amas du Boulet avait permis de fixer une valeur pour l’amplitude de cette auto-interaction et donnait une valeur maximale : < 0,7 cm²/g avec une précision pas top.
C’est donc pour évaluer beaucoup plus finement ce paramètre de transfert d’impulsion par unité de masse qui signe l’intensité de l’auto-interaction des particules de matière noire que Harvey et son équipe ont finalement retenu 30 cas de collisions d’amas de galaxies impliquant 72 sous-structures…
A partir de ce grand échantillon statistiquement représentatif de toutes les orientations possibles et imaginables par rapport aux observateurs que nous sommes, les auteurs parviennent à mesurer les écarts séparant les barycentres des trois types de masses : matière noire, gaz diffus et galaxies. Ces amas étant en collision, il est normal que le gaz ne se trouve jamais au même endroit que les galaxies, leur caractéristiques dynamiques étant bien différentes. Il en est de même pour la masse noire. 
Les auteurs montrent que la présence d’un équivalent de masse noire est indiscutable. Et le barycentre de la masse noire est très légèrement décalé sur l’axe galaxies-gaz qui représente la direction du mouvement de collision des amas : il se trouve entre les galaxies et le gaz, mais plus proche des galaxies. En moyenne, la distance séparant les galaxies de la masse noire vaut 18900 années-lumière (5800 parsecs). C’est cet écart qui permet aux astrophysiciens d’en déduire l’intensité du transfert d’impulsion par unité de masse pour la matière noire, en utilisant un modèle dit de “profondeur optique”. En effet, le modèle fournit l’écart relatif attendu qui doit exister entre galaxie et gaz et entre galaxie et matière noire. L’ajout du paramètre d’auto-interaction vient légèrement modifier cet écart relatif et permet alors d’en fixer la valeur en ajustant son effet dans la modélisation par rapport à ce qui est observé.
Ce que trouvent David Harvey et ses collègues, c’est que la matière noire ralentit moins fort que prévu initialement par auto-interaction. L’auto-interaction est donc moins forte que prédit auparavant. La valeur obtenue par Harvey est ses collaborateurs est, comme pour l’étude de l’amas du Boulet, une limite supérieure, mais cette nouvelle limite se trouve donc être plus contraignante : sigma/m < 0,47 cm²/g.
Souvenez-vous, pour résoudre les problèmes des modèles de matière noire, il faut un sigma/m compris entre 0,1 et 1 cm²/g, l’amas du Boulet avait fixé une limite supérieure à 0,7 cm²/g et de nombreux modèles théoriques extensions du modèle standard des particules prédisaient une valeur de sigma/m égale à 0,6 cm²/g. 

L’étude de David Harvey vient donc renouveler l’affirmation de l’existence d’une anomalie gravitationnelle visible par lentille gravitationnelle et attribuée à de la matière noire, et dans le même temps, vient contraindre fortement une bonne partie des modèles théoriques qui pouvaient expliquer les incohérences associées à la matière noire froide de type WIMPs dans les amas de galaxies. Ces travaux montrent que la matière noire semble donc bien observable indirectement, mais avec un peu moins de probabilité que ce soient des WIMPs.


Source : 
The nongravitational interactions of dark matter in colliding galaxy clusters
David Harvey et al.
Science 27 March 2015: Vol. 347 no. 6229 pp. 1462-1465 
http://drericsimon.blogspot.com
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Les comètes ont-elles peint Mercure en noir ?

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Mercury_732x520.jpgMercure est une planète sombre. La première planète du système solaire (par ordre de proximité) ressemble beaucoup à la Lune. Elle est sensiblement plus grosse, avec 4879 kilomètres de diamètre contre 3474 à notre satellite, mais toutes deux sont rocheuses, sans atmosphères, et ont leur surface constellée de cratères d’impacts qui se sont produits au fil de leur existence. Mercure est aussi plus sombre que la Lune, une caractéristique qui est peut-être sur le point d’être expliquée “Depuis longtemps, il a été émis l’hypothèse qu’il y a un mystérieux agent assombrissant qui contribue à la basse réflectivité de Mercure”, explique Megan Bruck Syal, qui a effectué une recherche sur le sujet à l’université Brown (USA). “Ce qui n’avait pas été envisagé, c’est que Mercure ait été recouverte par une grande quantité de matériaux provenant de comètes”. L’hypothèse émise est en effet que lorsque les comètes effectuent leur passage près du Soleil, elles commencent à se briser, ou au moins à se séparer de certains de leurs constituants. Certains de ces résidus cométaires, en partie composés de carbone, seraient alors attirés par Mercure, et s’écraseraient à sa surface. En utilisant une modélisation des résultats d’impacts de débris de comètes, les chercheurs ont pu évaluer la fréquence des impacts de débris cométaires sur Mercure, ainsi que la quantité de carbone qui resterait à sa surface. Le résultat de ses calculs est qu’il y aurait entre 3 et 6% de carbone dans cette “couche” de surface, après des milliards d’années de bombardements. L’équipe a ensuite modélisé des impacts, afin de voir comment le carbone pourrait se mêler à la surface mercurienne. Le résultat est que “les petites particules de carbone vont se mêler intimement aux matériaux fondus par les impacts”. Au final, le matériau qui a reçu de tels bombardements va voir sa capacité à refléter la lumière réduite à moins de 5%, ce qui est le cas dans les parties les plus sombres de Mercure. “Element important, une analyse spectroscopique des échantillons d’impacts ne révèle pas d’empreinte spectrale spécifique, ce qui est encore similaire à celles reçues de Mercure”, précise l’étude. “Nous démontrons que le carbone agit comme un agent assombrissant furtif”, précise le professeur Peter Schulz, géologue à l’université Brown et co-auteur de l’étude publiée dans Nature Geosciences, pour qui le scénario mérite d’être considéré : “Mercure pourrait bien être une planète peinte”, déclare-t-il. Peinte par les comètes… Crédit photo : image prise en 2008 par la sonde Messenger (NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington) Continue reading

L’accélération plasma par sillage

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L’accélération plasma est devenue une technique très à la mode en physique des particules car prometteuse pour l’avenir, mais que ce que cache exactement derrière ce terme ? En effet, ce type d’accélération s’oppose aux accélérateurs « conventionnels » où les particules … Continue reading

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