Formation des structures - Définition et Explications

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Structure non-linéaire

Lorsque les perturbations se sont suffisamment agrandies, une petite région peut atteindre une densité substantiellement supérieure à la moyenne de celle de l'Univers. A ce stade, la physique concernée devient beaucoup plus complexe. Lorsque les déviations d'homogénéité sont petites, la matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre), traduction de l’anglais...) peut être traitée comme un un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) sans pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...), et son évolution traitée à l'aide d'équations très simples. Dans les régions significativement plus denses, que les autres, on doit intégrer la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) newtonienne de la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) toute entière. La théorie de Newton est appropriée parce que les masses considérées sont bien inférieures à celles requises pour la formation d'un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense...), et que l'on peut ignorer la vitesse (On distingue :) de la gravité (en) puisque la durée de traversée de la structure par la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) est encore inférieure au temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) caractéristique. La matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) noire commence à former des caustiques dans lesquelles les trajectoires des particules adjacentes se croisent, ou bien des particules commencent à former des orbites. C'est un signe que les approximations linéaires et fluides deviennent invalides. Ces dynamiques se comprennent généralement mieux à l'aide de simulations à N-corps (en), bien qu'on puisse utiliser dans certain cas une grande variété de schémas semi-analytiques, comme le formalisme de Press-Schechter (en). Alors qu'en principe des simulations sont assez simples, en pratique, elles sont très difficile à mettre en œuvre, car elles demandent de simuler des millions ou des milliards de particules. De plus, malgré le grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de particules, chaque particule pèse typiquement 109 masses solaires et des effets de discrétisation (en) peuvent devenir significatifs. La plus grande simulation de ce type est la simulation Millennium (en).

Le résultat des simulations à N-corps suggèrent que l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) est largement composé de vides, dont la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) peut descendre à un dixième de la moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...) du Cosmos. La matière se condense en de grands filaments et halos de galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec...) dont la structure ressemble aux entrelacs d'une multitude de toiles d'araignées. Cela forme les galaxies, les groupes et amas de galaxies (Un amas de galaxies est l'association de plus d'une centaine de galaxies liées entre elles par la...), et les supermamas de galaxies. Alors que les simulations paraissent s'accorder largement avec les observations, leur interprétation est compliquée par la compréhension de la densité d'accumulation de matière noire susceptible de déclencher la formation des galaxies. En particulier, beaucoup plus de petits halos se forment que ceux permet de voir l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...), les galaxies naines et les amas globulaires. Cette différence est connue sous le nom de problème du biais galactique et une grande variété d'explications ont été avancées. La plupart le considèrent comme un effet de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) compliquée de la formation des galaxies, mais certains ont suggéré qu'il s'agit d'un problème provenant de notre modèle de matière noire et que quelques effets tels que la matière noire tiède (en) empêchent la formation des halos les plus petits.

Structure linéaire

Fichier ( Un fichier est un endroit où sont rangées des fiches. Cela peut-être un meuble, une pièce,...):Structure mode history.svg
Evolution de deux perturbations au modèle homogène de Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a...) Lambda-CDM. Entre son entrée dans l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre...) et son découplage, la perturbation de la matière noire (en pointillés), croît de façon logarithmique, avant que la croissance de la domination de la matière s'accélère. D'un autre côté, entre l'entrée dans l'horizon et le découplage, la perturbation du fluide baryon-photon oscille rapidement. Après découplage, elle croît rapidement jusqu'à atteindre la perturbation de la matière dominante, le mode matière noire.

Une des réussites déterminantes réalisée par les cosmologistes dans les années 1970 et 1980 fut la mise en évidence qu'une majorité de la matière contenue dans l'Univers était composée non pas d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...), mais plutôt d'une forme mystérieuse de matière que l'on a désignée sous le nom de matière noire. La matière noire interagit au travers de la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) de gravité mais elle n'est pas composée de baryons, et l'on sait avec une grande précision qu'elle n'émet ni n'absorbe aucun rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...). Elle peut être composée de particules qui interagissent au travers de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) faible, telles que les neutrinos, mais elle peut être entièrement composée des trois sortes connues de neutrinos (bien que certains aient suggéré qu'il s'agit d'un neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des...) stérile (en)). Des preuves récentes suggèrent qu'il y a à peu près cinq fois plus de matière noire que de matière baryonique, et la dynamique de cette période est donc dominée par la matière noire.

La matière noire joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) un rôle-clé dans la formation des structures (La formation des structures est le processus primordial de genèse des structures observables...) parce qu'elle est uniquement sensible à la force de gravité : l'instabilité gravitationnelle de Jeans qui permet aux structures compactes de se former ne rencontre aucune force pour s'y opposer, telle que la pression de radiation (La pression de radiation est la pression exercée sur une surface exposée à un rayonnement...). Il en résulte que la matière noire commence à s'effondrer en un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) complexe de halos de matière noire, bien avant la matière ordinaire, qui est entravée par les forces de pression. Sans la matière noire, l'époque de la formation des galaxies se serait produite considérablement plus tard que ce que l'on observe dans l'Univers.

La physique de la formation des structures de cette période est particulièrement simple puisque les perturbations aux différentes longueurs d'ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) de la matière noire évoluent indépendamment. Le rayon de Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en...) s'accroissant dans l'Univers en cours d'expansion, il intègre des perturbations de plus en plus grandes. Pendant la domination de la matière, toutes les perturbations causales de la matière noire s'accroissent au travers de regroupements gravitationnels. Cependant, les perturbations des longueurs d'ondes plus courtes qui sont intégrées pendant la domination du rayonnement voient leur croissance différée jusqu'à la domination de la matière. A ce stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe...), on s'attend à ce que la matière baryonique, lumineuse, reflète simplement l'évolution de la matière noire, et leur évolution devrait suivre étroitement les mêmes sentiers.

Calculer ce spectre linéaire de puissance est un problème simple, et comme outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son...) pour la cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système...), d'une importance comparable au rayonnement micro-ondes du fond cosmologique. Le spectre de puissance a été mesuré par des relevés de galaxies, tels que le Sloan Digital Sky Survey, et par des relevés de forêts Lyman-α. Ces relevés, observant les radiations émises par les galaxies et les quasars, ne mesurent pas directement la matière noire, mais on s'attend à ce que la distribution à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un...) des galaxies (et des lignes d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise...) des forêts Lyman-α) reflète étroitement la distribution de matière noire. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) cela dépend si les galaxies sont plus grandes et plus nombreuses dans les régions les plus denses de l'Univers, alors qu'elles sont en comparaison plus rares dans les régions les plus désertes.

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