matière noire répulsive
Matière noire répulsive (p1)
Matière noire répulsive.
** Jean-Pierre Petit et P. Midy ** Observatoire de Marseille, France ---
Résumé :
Nous explorons les aspects phénoménologiques d'un système à deux populations dont la dynamique implique à la fois des forces attractives et répulsives. Une nouvelle structure géométrique, comportant deux plis, associée à deux équations de champ couplées par le champ gravitationnel, permet de contourner l'obstacle des « masses négatives » et rend ainsi concevable un système dans lequel les énergies de toutes les particules sont positives. Nous montrons que, dans ces conditions, la matière de la deuxième population est géométriquement non observable et acquiert ainsi le statut de matière noire répulsive. Les galaxies seraient logées dans des cavités d'une distribution homogène de matière noire répulsive. Cela engendre un effet de confinement avec une courbe de rotation réaliste. Nous montrons que la lentille gravitationnelle négative, associée à la matière noire répulsive, pourrait expliquer les forts effets observés, offrant ainsi une alternative au modèle classique de matière noire. Dérivé de ce nouveau modèle cosmologique, l'âge de l'Univers devient de 15,7 milliards d'années, en raison de l'interaction des deux types de matière.
1) Introduction. ** **
...Aujourd'hui, il n'est plus possible de rendre compte des observations astronomiques uniquement à partir de la matière observable. C'est pourquoi le concept de matière noire s'est progressivement imposé. Diverses hypothèses ont été proposées sur la nature de ce composant invisible de l'Univers, qui devrait contribuer à la formation du champ gravitationnel et ainsi engendrer l'effet de masse manquante dans les galaxies et la lentille gravitationnelle. Les Machos se sont révélés décevants. Certains recourent à des particules dont l'existence physique reste spéculative, comme les neutrinos massifs. Pour l'instant, aucune formulation n'a prévalu, et de nombreuses hypothèses restent possibles concernant cette matière noire. Dans cet article, nous proposons d'étudier les conséquences d'une interaction gravitationnelle entre notre matière (masse m) et une matière noire particulière, composée de masses m*, telles que :
-
m et m' s'attirent selon la loi de Newton
-
m* et m*' s'attirent selon la loi de Newton
-
m et m* se repoussent selon une loi semblable à celle de Newton
Nous appellerons m* « matière noire répulsive ».
Cela peut se résumer simplement en considérant l'expression suivante :
(1)
où les masses ma et mb peuvent être positives ou négatives. Les physiciens pourraient immédiatement objecter en disant que les particules à masse négative ont également une énergie négative, ce qui manque de sens physique. Dans la section 3 de l'article, nous proposerons un nouveau contexte géométrique qui rend possible l'interaction de deux populations, de masses m et m*, toutes deux positives, dont les énergies mc² et m*c² sont positives, de manière à ce que les forces s'inscrivent dans le schéma précédent. Le fait que les deux sous-systèmes ne puissent interagir que par gravitation sera justifié géométriquement.
.
2) Matière noire répulsive confinant les galaxies.
...Il est depuis longtemps connu que le champ gravitationnel dû à une distribution de matière inférée à partir des observations ne pourrait pas équilibrer les forces centrifuges dans les galaxies. La masse manquante est d'environ trois à cinq fois celle observée. De plus, les courbes de rotation des galaxies montrent une caractéristique en marche (vitesse excédentaire en périphérie) qui ne peut pas être expliquée à partir de la distribution observée de la matière. Ainsi, les chercheurs ont tenté de prévenir l'explosion des galaxies et de reproduire cet aspect des courbes de rotation en introduisant artificiellement des distributions de matière noire ad hoc. Examinons maintenant le modèle proposé, comprenant la matière ordinaire (observée) et la matière noire répulsive non observée, et voyons si ce modèle peut assurer le confinement des galaxies. Tout d'abord, considérons une galaxie où la matière est distribuée selon le modèle de Myamoto et Nagai [1] :
(2)
...Cette distribution de matière axisymétrique est supposée se trouver dans une cavité d'une distribution uniforme de matière noire répulsive (Fig.1, où la matière ordinaire est distribuée selon a = 5 ; b = 1 dans (2).
** ** Fig.1 : La galaxie entourée de matière noire répulsive. Système axisymétrique.
...Nous disposons la matière noire répulsive autour d'elle, avec un gradient de densité arbitraire, ajusté sur des bases empiriques. Cette distribution de masse peut être décrite par une superposition d'ellipsoïdes épais, chargés de densité de matière** *ri (pouvant être positive ou négative), i étant l'indice de l'ellipsoïde massif, avec axe horizontal ai et axe vertical bi. Le champ, à l'intérieur et à l'extérieur de ces corps, est donné par des formules analytiques assez simples ([2] et [3]). Étant donné un ensemble d'ellipsoïdes massifs, il devient possible de calculer le champ 3D. Sur la figure 1, nous avons représenté la densité de masse r de la matière noire répulsive par la variation de la densité de points blancs dans l'espace. Cela ne résulte pas d'une simulation numérique effectuée avec des points massiques, comme l'image pourrait le suggérer. La distribution de masse a été décrite par un ensemble d'ellipsoïdes massifs, aux paramètres variés (longueurs d'axe, densité de masse).
...La figure 2 montre la distribution de matière noire répulsive choisie. La figure 3 représente le champ gravitationnel dû à cette matière noire répulsive, calculé selon la méthode décrite ci-dessus. Les échelles des figures 1 et (2-3) sont différentes, les dernières étant un zoom. La correspondance d'échelle est indiquée. Comme nous pouvons le voir, la distribution de matière noire répulsive produit un effet de confinement sur la galaxie, tant dans la direction r que dans la direction z. La figure 3 montre la vitesse de rotation correspondante pour la matière noire répulsive seule. Nous voyons qu'une telle distribution de matière noire répulsive permet des vitesses périphériques importantes.
Fig. 2 : La distribution de matière noire répulsive choisie : un ensemble d'ellipsoïdes plats concentriques, épais, de densité** *r(r) d étant le diamètre de l'ellipsoïde.
Version originale (anglais)
repulsive dark matter
Repulsive dark matter (p1)
Repulsive dark matter.
** Jean-Pierre Petit and P.Midy** Observatory of Marseille,France ---
Abstract :
We explore the phenomenological aspects of a two population system whose dynamics implies both attractive and repelling forces. A new geometrical structure, with two folds, associated to two field equations, coupled through the gravitational field, allows to bypass the stumbling block of the "negative masses" and makes such a conceivable system, where the energies of all the particles are positive. We show that in these conditions, the matter in the second population is geometrically non-observable and therefore gets the status of repulsive dark matter. Galaxies would be housed in cavities of a homogenous distribution of repulsive dark matter. This generates a confinment effect with realistic rotation curve. We show that the negative gravitational lensing, associated with repulsive dark matter would explain the strong observed effects, which would be an alternative to the "classical" dark matter model. As derived from this new cosmological model, the age of the Universe becomes 15.7 billions years, due to the interaction of the two matters.
1) Introduction. ** **
...Nowadays trying to account for astronomical observations on the basis of observable matter only is no longer possible. That is for dark matter concept has become increasingly widespread. Various hypothesis have been proposed about the nature of this unobserved component of the Universe, which should contribute to the formation of the gravitational field and thus lead to the missing mass effect in galaxies and to gravitational lensing. Machos have turned out to be disappointing. Some people resort to particles whose physical existence is speculative, such as massive neutrinos. In so far no formulation seems to have prevailed and many hypothesis remain possible about this dark matter. In this paper we propose to investigate the consequences of a gravitational interaction between our matter (mass m) and particular dark matter, made of masses m*, such that :
-
m and m attract each other according to the Newton law
-
m* and m* attract each other according to the Newton law
-
m and m* repel each other according to a Newton-like law
We shall call m* "repulsive dark matter".
This could be summed up simply, considering that in the following expression :
(1)
where the masses ma and mb can be positive or negative. Physicists could argue immediately, saying that particles with negative masses also have negative energies, which lacks physical meaning. In the section 3 of the article we shall propose a new geometrical context which makes possible the interaction of two populations, with masses m and m*, both positive, whose energies mc2 and m*c2 are positive, in such a way that the forces fit with the former scheme. The fact that the two sub-systems may interact only through gravitation will be geometrically justified.
.
2) Repulsive dark matter confining galaxies.
...I has been known for long that the gravitational field due to a matter distribution inferred from observation would not be able to balance the centrifugal forces in galaxies. The missin mass is about three to five times the observed one. Moreover, the rotation curves of galaxies show a characteristic step (peripheral excess velocities) which cannot be accounted for starting from the observed distribution of matter. So people attempts both to prevent explosion of galaxies and to reproduce this aspect of rotation curves using ad hoc, artificially introduced distributions of dark matter. Let us now turn to the proposed model of ordinary (observed) matter and unobserved repulsive dark matter, and see whether this model can ensure the confinment of galaxies. At first, we consider a galaxy where matter is distributed according to the model of Myamoto and Nagai [1] :
(2)
...This axisymmetrical matter distribution is supposed to be located in a hole of a uniform repulsive dark matter distribution (Fig.1, in which ordinary matter is distributed according to a = 5 ; b = 1 in (2).
** ** Fig.1 : The galaxy surrounded by repulsive dark matter. An axisymmetrical system.
...We arrange repulsive dark matter around it, with an ad hoc density gradient, shaped on empirical grounds. This mass distribution can be described through a superposition of thick ellipsoids, charged by matter density** *ri (which could be positive or negative), i being the index of the massive ellipsoid, with horizontal axis ai and vertical axis bi. The field, inside and outside such bodies, is given by quite simple analytical formulas ([2] and [3]). Given a set of such massive ellipsoids it becomes possible to compute the 3d field. On figure 1 we have figured the mass-density r of repulsive dark matter by the variation of the density of white points in space. This does no result from numerical simulation, performed with mass points, as the image might suggest. The mass distribution was described by a set of massive ellipsoïds, with various parameters (lenghts of axis, mass-density).
...Figure 2 shows the corresponding chosen axisymmetric repulsive dark matter distribution. Figure 3 represents the gravitational field, due to this repulsive dark matter, computed by the method described above. The two scales of figures 1 and (2-3) are different, the last ones being a zoom. The scale correspondance is indicated. As we can see, the repulsive dark matter distribution produces a confinment effect on the galaxy, both in the r and z-directions. Figure 3 shows the corresponding rotation velocity for repulsive dark matter alone. We see that such a repulsive dark matter distribution allows large peripheric velocities.
Fig. 2 : The chosen repulsive dark matter distribution : a set of thick, concentric flat ellispsoids with density** *r(r) d being the diameter of the ellipsoid.