Comment savons-nous que la matière noire / l'énergie noire existe?

Je n'ai jamais bien compris la théorie derrière pourquoi la matière noire et l'énergie noire existent. Je sais que cela a quelque chose à voir avec l'attraction gravitationnelle étant plus forte que ce que nous devrions calculer, quelqu'un pourrait-il expliquer cela plus en détail?

Quelques ajouts à la réponse de MBR:

En fait, nous ne savons pas que la matière noire et l'énergie noire existent, mais nous avons des indices indirects. Vous verrez souvent des affirmations selon lesquelles la matière noire et l'énergie sombre sont deux des problèmes majeurs de la cosmologie aujourd'hui, y compris par les astronomes professionnels, mais c'est une idée fausse épistémologique: vous ne pouvez pas appeler une hypothèse un problème .

Actuellement, nous avons plusieurs anomalies d'observation (telles que définies par T. Kuhn): à savoir la courbe de rotation des galaxies, la luminosité des supernovae, le spectre de puissance du CMB ... (et quelques choses supplémentaires comme la difficulté à mesurer G ou à détecter directement des ondes gravitationnelles).

Selon l'histoire de la science, nous avons 3 façons de résoudre ces anomalies:

• approches ontologiques (matière noire et énergie noire)
• approches législatives (extensions de la relativité générale)
• approches paradigmatiques (univers inhomogènes)

La matière noire et l'énergie noire sont deux approches ontologiques qui semblent assez bien fonctionner: en ajoutant deux composants simples, nous pouvons adapter un large éventail d'observations. C'est pourquoi les astronomes les aiment: leurs modélisations sont relativement aisées et permettent de tout bien s'adapter. Mais pour le moment nous ne connaissons pas leur nature.

Certains disent qu'avec WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) et l'observatoire spatial Planck, nous sommes entrés dans l'ère de la cosmologie de précision: mais cela n'est vrai que si notre paradigme d'approches matière noire / énergie noire est correct. Si ce n'est pas le cas, nous n'interprétons actuellement pas correctement ce que nous mesurons, mais finalement des mesures plus précises peuvent conduire à une meilleure vision des anomalies cosmologiques actuelles.

La matière noire et l'énergie noire sont donc deux approches élégantes et minimalistes de plusieurs problèmes fondamentaux. C'est un sujet très chaud en cosmologie, mais nous pouvons réaliser, un jour, que nous n'avons eu des problèmes que parce que notre paradigme actuel était erroné.

La matière noire et l'énergie noire sont deux choses différentes, représentant des observations différentes.

Matière noire :

La matière noire est nécessaire pour expliquer, entre autres, la courbe de rotation des galaxies. On pourrait s'attendre à ce que ces courbes de rotation diminuent à de grands rayons (car il faut s'attendre à une rotation keplerienne pour les galaxies), et ce n'est pas le cas, les courbes de rotation sont plates, ce qui explique une "masse cachée" dans les galaxies pour soutenir une telle rotation motif, c'est la matière noire. La matière noire explique également certaines propriétés des amas de galaxies et les fluctuations du CMB.

Énergie sombre :

L'énergie sombre est nécessaire pour expliquer l'expansion accélérée de l'Univers. Cette expansion a été principalement mesurée à l'aide de supernovæ de type Ia (supernovæ thermonucléaires, qui sont le résultat d'une matière d'accrétion de naine blanche et atteignant la masse de Chandrasekhar) qui sont des "bougies standard". On pense que la magnitude absolue de ces objets est bien connue, donc si vous les observez dans l'Univers, vous pouvez facilement déduire leur distance de leur décalage vers le rouge. Ces observations montrent une expansion accélérée de l'Univers (par expansion, nous voulons dire que la distance relative entre deux galaxies distantes augmente, la distance dans l'Univers local n'est pas affectée). Pour tenir compte de cette accélération, il faut une certaine énergie uniformément répartie dans l'Univers, c'est l'énergie sombre.

Ne soyez pas confus:

L'énergie sombre et la matière noire ne peuvent pas être confondues l'une avec l'autre, car l'énergie sombre est uniformément distribuée dans l'Univers, tandis que la matière noire suit une certaine distribution (elle est généralement plus ou moins distribuée avec la matière).

Derniers mots:

Enfin, «matière noire» et «énergie noire» sont principalement des mots pour caractériser notre ignorance de ces observations qui ne peuvent être expliquées par les lois standard de la physique. C'est pourquoi il y a un travail si intense sur ces sujets, pour essayer de mieux caractériser ces choses sombres et de comprendre ce qu'elles pourraient être.

Une autre chose à propos de l'énergie / matière noire:

Les gens ont une assez bonne idée que l'énergie sombre existe parce que, lorsque vous tracez l'expansion de deux objets dans l'univers au fil du temps, depuis son origine, il y a une courbe en cloche. Fondamentalement, la vitesse d'expansion de l'univers a commencé plus vite que ralentie, et récemment (ou du moins relativement), l'expansion s'est à nouveau accélérée. Cela implique que lorsque l'Univers a commencé, il s'est rapidement développé et que cet élan a commencé à fléchir, la gravité a commencé à rassembler les choses. Cependant, pour expliquer l'accélération récente de l'expansion, il doit y avoir une force qui a augmenté en force au fil du temps et a pu provoquer une accélération de l'expansion (tout cela se produit entre les galaxies, dans des domaines comme les systèmes solaires et les galaxies, la gravité est trop fort pour être affecté). On pense qu'à mesure que l'univers se développe, l'énergie sombre augmente uniformément pour occuper le nouvel espace. Cela signifie que l'énergie sombre augmente, accélérant ainsi l'expansion.

Nous savons que l'univers se développe en raison du décalage vers le rouge. Fondamentalement, à mesure que la lumière traverse l'univers, l'univers se développe. Sur une distance suffisante, la lumière perdra sensiblement de l'énergie, de sorte que la lumière violette tombera vers le rouge (d'où le nom de décalage vers le rouge). C'est parce que, vue de notre univers en expansion, la lumière semble perdre de l'énergie, alors qu'elle doit vraiment voyager plus loin à mesure que l'espace s'étend.

Quant à la matière noire, en somme, nous savons qu'il y a quelque chose qui a de la gravité que nous ne pouvons pas détecter autrement. La matière noire, contrairement à l'énergie sombre, n'est pas uniforme. Il forme des formations de type brin, qui correspondent aux formations de type galon des galaxies.