Chapitre 4 - Mesurer la masse d'une galaxie : méthode de mesure par luminosité - Perimeter Institute for Theoretical Physics

Ce chapitre de la vidéo
	décrit comment mesurer la masse d'une galaxie à l'aide de sa luminosité (la méthode de mesure par luminosité).
	applique la méthode de mesure par luminosité à la galaxie du Triangle et obtient une masse de 39 milliards de soleils de moins que la valeur obtenue grâce à la méthode orbitale.
	démontre comment cette divergence peut être expliquée par l'existence d'une vaste quantité de masse invisible appelée matière noire.
	explique que jusqu'ici de vastes quantités de matière noire ont été détectées dans toutes les galaxies étudiées.
Comme on peut s'y attendre, la méthode que les physiciens utilisent en fait pour calculer la masse d'une galaxie à l'aide de sa luminosité est considérablement plus complexe que l'approche présentée dans cette vidéo. Cependant, le principe de base qui sous-tend la méthode utilisée présume que les galaxies ayant une masse plus importante contiennent plus d'étoiles et que, pour cette raison, elles tendent à être plus lumineuses. Voici une explication plus détaillée des étapes utilisée dans la méthode de mesure par luminosité :
1.	Tout d'abord, les physiciens mesurent la distribution de la lumière à l'intérieur d'une galaxie en regardant une image de celle-ci.
2.	Ensuite, ils utilisent cette distribution pour calculer la luminosité apparente totale de la galaxie à l'intérieur du rayon r en additionnant toute les sources de la lumière à l'intérieur de r.
3.	Puis, ils utilisent les données sur la distance qui nous sépare de la galaxie afin de déterminer son éclat réel total (c.-à-d. la luminosité) à l'intérieur de r.
4.	Ensuite, ils estiment quelle quantité de masse à l'intérieur de la galaxie, produit, en moyenne, une unité de luminosité. Cette quantité est un facteur de conversion de la luminosité en masse qui peut être estimé de différentes façons. Par exemple, les physiciens utilisent parfois les connaissances sur l'abondance relative des différents types d'étoiles à l'intérieur d'une galaxie, ainsi que la luminosité et la masse de chaque type, pour estimer le facteur de conversion.
5.	Enfin, ils multiplient la luminosité réelle totale à l'intérieur de r par le facteur de conversion afin de déterminer la masse à l'intérieur du rayon r.
Sept milliards de soleils Le résultat égal à 7 milliards de soleils qui a été obtenu grâce à la méthode de mesure par luminosité représente la masse combinée de tout ce qui suit dans un rayon de 4,0 x 10²⁰ m : (i) toutes les étoiles, (ii) tout le gaz hydrogène et (iii) tout le gaz hélium. L'hélium est le deuxième élément le plus abondant de l'univers après l'hydrogène et il y en a une quantité importante dans la galaxie du Triangle. Quel est le degré de précision de la méthode de mesure par luminosité? Comme beaucoup d'autres méthodes d'estimation, utilisées en astronomie, la méthode de mesure par luminosité comporte un grand degré d'incertitude. Cependant, ce fait n'est pas démesurément important puisque que la divergence entre les résultats de la méthode de mesure par luminosité et la méthode orbitale est si importante. Même si la masse réelle des étoiles et du gaz à l'intérieur d'un rayon de 4,0 x 10²⁰ m était le double de la valeur de 7 milliards de soleils (une erreur de 50 %), il y aurait toujours une divergence de 32 milliards de soleils. En plus de la divergence numérique entre la méthode orbitale et la méthode de mesure par luminosité, la tendance générale des vitesses orbitales des étoiles à l'intérieur des galaxies (vitesse orbitale constante pour une distance croissante) est fondamentalement différente de la tendance attendue (vitesse orbitale décroissante pour une distance croissante). Ainsi, même si la masse réelle des étoiles dans les galaxies distantes était supérieure aux estimations actuelles, cela n'aurait pour effet que de déplacer le tracé de la vitesse orbitale attendue à la figure 6 (chapitre 1) vers le haut. Cela ne modifierait pas le tracé général de la tendance et celui-ci concorderait avec le tracé observé. Les étoiles et le gaz ne suffiraient donc pas pour expliquer les vitesses observées des étoiles, quelle que soit leur masse combinée. Relation masse-luminosité Le graphique à la figure 13 trace l'éclat (c.-à-d. la luminosité) par rapport à la masse des étoiles individuelles. Il démontre la relation masse-luminosité bien connue. Bien que la relation indiquée soit linéaire, nous avons utilisé des échelles logarithmiques sur les deux axes aux fins de simplification. La relation réelle est où M_S et L_S sont, respectivement, la masse et la luminosité du Soleil. M et L sont la masse et la luminosité de l'étoile en question. (Noter que l'exposant 4 est approximatif et que parfois un exposant différent est utilisé, p. ex., 3,5 ou 3,9.) Densité de la matière noire Il est possible de mesurer la vitesse orbitale à des distances beaucoup plus éloignées que les étoiles les plus éloignées en observant les concentrations faibles de gaz hydrogène. Les physiciens ont constaté que les vitesses mesurées demeurent constantes, indépendamment de la distance, et qu'elles sont beaucoup plus élevées que prévu bien au-delà des limites éloignées des étoiles. À l'aide de la forme du graphique représentant la vitesse orbitale par rapport au rayon de l'orbite , les physiciens ont déterminé que la masse totale de la matière noire, M_noire, à l'intérieur d'un rayon orbital r augmente de façon linéaire en même temps que r Puisque la matière noire attire gravitationnellement la matière noire, elle a tendance à s'agglomérer. Ainsi, comme le montre l'image de la matière noire (figure 14) qui apparaît près de la fin de ce chapitre de la vidéo, la densité de la matière noire est plus importante au centre et décroît graduellement au fur et à mesure que l'on s'en éloigne. La matière noire est-elle la même chose que l'énergie sombre? La matière noire est différente de l'énergie sombre, énergie invisible découverte récemment dont, d'après de nombreux physiciens, une grande partie de l'univers serait composée. L'énergie sombre est antigravitationnelle et l'on croit qu'elle a pour effet l'expansion toujours plus importante de l'univers. Matière noire à l'intérieur de la galaxie du Triangle Tel qu'expliqué dans la vidéo, il y a l'équivalent de 7 milliards de soleils sous forme de masse lumineuse dans la galaxie du Triangle à l'intérieur d'un rayon de 4,0 x 10²⁰ m et de 39 milliards de soleils sous forme de matière noire dans le même rayon. Il y a très peu d'étoiles au-delà de ce point, bien qu'on y retrouve de petites quantités d'hydrogène. La matière noire s'étend bien au-delà de 4,0 x 10²⁰ m et, pour cette raison, de manière générale, il y a bien plus de 39 milliards de soleils de matière noire dans la galaxie du Triangle.

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