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L'effet Doppler

S-4A-3     Galaxies en rotation et matière sombre


    Index


Le soleil

S-1. Lumière du soleil et terre

S-1A. Temps météo

S-1B. Climat global

S-2.Les couches du soleil

S-3.Le soleil magnétique

S-3A. Champs magnétiques
        interplanétaires

S-4. Couleurs de la lumière du soleil


Facultatif : Effet Doppler

S-4A-1 Vitesse de la lumière

S-4A-2. Décalage de fréquence

S-4A-3 Galaxies en rotation
            et matière sombre
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  S-5.Ondes & Photons

Facultatif : Physique Quantique

Q1.Physique Quantique

Q2. Atomes

Q3. Niveaux d'énergie

Q4. Rayonnement des
        objets chauds
Note: L'essentiel de cette section est tiré de "Seeing dark matter in the Andromeda galaxy" by Vera Rubin, Physics Today, 59, no 12, p. 8-9, December 2006. Une grande partie de cet exposé peut être consulté ici

La galaxie M31       

   Le système solaire est une composante de la galaxie de la voie lactée, une accumulation d'étoiles en forme de disque, une des milliards de galaxies de l'univers. Son rayon est d'environ 100.000 années-lumière, et elle présente plusieurs petites " galaxies satellites, " dont les deux nuages de Magellan bien visibles dans l'hémisphère sud. L'un de ceux- ci a retenu l'attention lorsqu'une supernova a éclaté en son sein en1987. Mais la galaxie la plus proche, de taille comparable ( peut-être même un peu plus grande), est la grande galaxie M31 dans la constellation d'Andromède, située à environ 2.25 millions d'années-lumière. Elle aussi est accompagnée d'un certain nombre de petites " galaxies satellites. "

   La désignation " M31 " l'identifie comme le n 31 du catalogue établi en 1771 et 1781 par le Français Charles Messier. Ce catalogue dénombre les objets nébuleux et diffus du ciel, ainsi portés à la connaissance des astronomes à la recherche de nouvelles comètes (Messier en a lui-même découvert 15) : Ce sont des objets qui ressemblent aux comètes mais qui n'en sont pas. Observée au télescope, M31 semble d'intensité faible et diffuse, décevante pour les non-astronomes puisqu'elle n'a rien à voir avec sa représentation habituelle , avec son disque légèrement incliné, son noyau central lumineux et ses rayons obscurcis par la poussière. En fait cette image est une pose, seulement obtenue par photographie. Les galaxies sont variables en taille et en forme, mais celle-ci est assez similaire à la nôtre.

   Quel est le lien qui assure la cohésion des galaxies ? Apparemment, la pesanteur, alors que leurs formes discoïde les suggèrent en rotation. Il devrait dès lors être possible de mesurer la rotation d'une galaxie comme M31 en utilisant l' effet Doppler : du côté où s'éloigne le disque, la longueur d'onde des lignes spectrales devrait être légèrement décalée vers le rouge, du côté où il se rapproche, vers le bleu. Comme expliqué ci-dessous, on peut affirmer que la densité de la matière dans la galaxie diminue avec la distance, en comparant ces décalages mesurés à diverses distances du centre, et en faisant appel aux lois de la pesanteur et de la mécanique.

   On peut estimer d'une autre façon la distribution de la matière, en supposant que sa densité moyenne est partout proportionnelle à l' éclat de la galaxie. Dans cette hypothèse, le taux de perte de l'éclat en fonction de la distance du centre devrait aussi correspondre à la distribution de la masse, sauf dans les rayons sombres (voir l'image) où la poussière n'est pas exposée à la lumière des étoiles. Evidemment, il est intéressant de comparer les résultats des deux méthodes.

   L'observation de l'effet Doppler dans M31 n'est pas facile, et devient encore plus difficile dans les galaxies plus éloignées. Comme il a déjà été remarqué, observer en détail M31 exige de longues poses en raison de sa faible luminosité. De plus, on ne peut pour observer l'effet Doppler, que se servir d'une petite partie de la lumière, juste une " raie spectrale " isolée par un spectrographe sensible, dans une petite partie de la galaxie, celle concernée par le mouvement qu'il faut détecter.

La période orbitale

  Quel est le résultat ? Comme on le soupçonnait depuis longtemps, il y a au centre de notre galaxie, un trou noir massif, dont la masse est estimée à environ 3.7 millions de soleils (le nombre est approximatif). En admettant que la galaxie soit soumise à l'attraction de cette masse, dans un mouvement circulaire, la période de rotation T devrait dépendre de la distance r, selon la "3ème loi de Kepler"
T2   =   k r3

K étant une constante déterminée en relation avec la masse M du centre d'attraction. Cette relation est discutée (en se référant plus particulièrement aux satellites de la terre) dans la section #21.

   Naturellement, l'effet Doppler ne mesure pas la période T, mais plutôt, la vitesse V, qui lui est liée (par l'intermédiaire de r, pour n'importe quelle distance)

V   =   2 π r / T

Avec G , constante universelle de la gravitation, l'équilibre des forces sur toute masse m dans une galaxie est

G M m/r2   =   m V2/ r
D'où :
V2   =   G M/ r

   Si l'unique source d'attraction gravitationnelle était un trou noir central, celui-ci aurait une masse M, et V2 diminuerait avec la distance, en fonction de 1/r, comme dans le système solaire. De fait, on a longtemps pensé que le centre de M31 était occupé par un trou noir, bien que les images détaillées suggèrent qu'il puisse y avoir en réalité un double centre. Mais, les galaxies " pèsent " beaucoup plus que la masse de leurs structures centrales : dans la galaxie Voie Lactée, le trou noir central semble avoir une masse de 3.7 millions de soleils, mais la galaxie elle-même contient environ 100 milliards d'étoiles.

   La lumière de M31 étant distribuée plus ou moins symétriquement autour du centre, il est donc raisonnable de supposer qu'il en est de même pour sa masse (difficile d'imaginer autre chose, étant donné que ses composants tournent !). Comme l'a montré Newton pour la terre sphérique, l'attraction de la pesanteur sur une étoile dans la zone moyenne de la galaxie dépend de l'ensemble de la masse située vers l'axe de la rotation : cette masse (tout au moins si elle est distribuée dans un volume sphérique) agit comme si elle est complètement concentrée, tandis que la masse distale n'a aucun effet.

   Ainsi la valeur effective de M augmente avec la distance, et la vitesse V de rotation dans les parties les plus denses de la galaxie peut diminuer moins rapidement que comme 1/r. Mais V devrait chuter rapidement à distance de la partie la plus densifiée, et le ralentissement de V2 devrait alors être proche de celui de 1/r.

Glissements Dopplers

   Vera Rubin, astronome à Washington, D.C, rejoignit en 1965 un centre de recherches, le Carnegie-Institut. L'année suivante, en collaboration avec Kent Ford, elle s'attaqua à l'observation des effets Doppler induits par la rotation de M31. Les observations elles-mêmes ont été pratiquées à l'observatoire de Lowell et à l'observatoire de Kitt Peak, tous les deux en Arizona.

   Ce type d'observations était précédemment empéché par la faible intensité lumineuse de M31, mais ici des plaques photographiques hypersensibilisées ont été utilisées. Même avec ce dispositif, l'opérateur devait pointer en référence une étoile voisine, comme repère beaucoup plus lumineux, pour assurer manuellement le suivi du télescope (et du spectroscope qui lui était relié ) sur la partie sélectionnée de M31.

   Le dispositif spectral utilisé était la raie rouge Hα ("H-alpha") de l'hydrogène, également celle des filtres destinés à observer le soleil, puisque les éruptions chromosphériques y apparaissent très bien alors. (Pour plus de détail, voir ici et ici). Entre 1967 et 1969, le glissement de la raie H-alpha fut observé sur 67 positions de la galaxie.

   Mis à part quelques irrégularités près du centre de la galaxie (où les observations posaient d'ailleurs des problèmes), on constata que la courbe de V en fonction de r était presque plate, comme le montre schématiquement le graphique ci-dessus, tiré d'un site Web consacré aux courbes de rotation .


   Le plus remarquable était la quasi constance de V même aux limites éloignées de la galaxie, où très peu de lumière est émise. Si l'éclat est une indication de la masse, alors la majeure partie de la masse est blottie près du centre galactique, et on s'attendait à ce que les vitesses dans les régions externes diminuent selon la loi de Kepler. Mais en réalité ce n'est ce qui se passe. Les observations par radio (sur une émission de micro-onde d'hydrogène) ont plus tard confirmé cette planéité sur de plus grandes distances encore.

   Depuis, on a étudié les courbes de rotation de nombreuses galaxies (avec de plus grands télescopes et des détecteurs électroniques de lumière beaucoup plus sensibles) et constaté que les courbes plates de rotation sont la règle générale. Même dans notre propre galaxie , où différentes méthodes (elles aussi basées sur l'effet Doppler) peuvent être employées, la courbe de rotation semble plate. La formule
V2   =   G M/ r
semble impliquer que la masse M présente dans une galaxie doit augmenter proportionnellement à la distance r du centre, même dans les régions faibles en étoiles, près des bords, où très peu de lumière est émise

   Quelle est l'origine de cette masse ? Personne ne le sait à coup sûr. En principe il peut y avoir des zones sombres là où les étoiles se sont éteintes, mais si les étoiles en voie d'extinction se situent au bord des galaxies, sans être accompagnées par d'autres qui brillent comme au sein de celles-ci, ce serait alors un univers très étrange. En fait, aucune il n'y a aucune explication convainquante. A la fin des années 30, Fritz Zwicky avait, pour expliquer les liaisons qu'il avait observées entre les galaxies, déjà suggéré qu'une partie importante de la masse de l'univers était invisible. Les galaxies ne semblaient pas avoir une masse suffisante pour déterminer la gravité nécessaire à leurs structure en amas.

   Beaucoup d'astronomes pensent maintenant que la masse invisible de la "matière sombre " est sans doute plus importante que ses autres formes dans l'univers, et que son pouvoir d'attraction est probablement une cause majeure de l'existence des galaxies. Dans cette optique, la matière sombre se serait regroupée assez vite dans l'histoire de l'univers en masse compacte et aurait été suivie dans les " trous " de gravité qu'elle aurait formés par la matière " habituelle "-celle qui est à la base de la formation des galaxies-. La rotation des galaxies suggère que la matière sombre est toujours présente, assurant la cohésion des galaxies. Pour plus de renseignements à ce sujet, voir le livre de John Gribbin, " Origins of the future ".


Prochaine étape ,

            (S-5) Ondes et Photons

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Auteur et conservateur :   Dr. David P. Stern
     Mail au Dr.Stern:   stargaze("at" symbol)phy6.org .
Traduction : Dr Guy Batteur ---- mail : guybatteur("at" symbol)wanadoo.fr

Dernière mise à jour : 9 Décembre 2006