Les simulations informatiques réalisées par les astronomes soutiennent l'idée de l'existence de la matière noire, selon les chercheurs.

L'ouvrage aborde un débat fondamental en astrophysique : la matière noire invisible doit-elle exister pour expliquer le fonctionnement de l'univers comme il le fait, ou les physiciens peuvent-ils expliquer le fonctionnement des choses en se basant uniquement sur la matière que nous pouvons observer directement ?

Actuellement, de nombreux physiciens pensent qu’il doit exister quelque chose comme la matière noire pour expliquer le mouvement des étoiles et des galaxies.

« Notre recherche montre comment nous pouvons utiliser des relations réelles observées comme base pour tester deux modèles différents pour décrire l'univers », explique Francisco Mercado, auteur principal et récent diplômé de doctorat de l'Université de Californie, département de physique et d'astronomie d'Irvine, qui est maintenant ici. Chercheur postdoctoral au Pomona College. « Nous avons proposé un test robuste pour distinguer les deux modèles. »

Les tests impliquaient l’exécution de simulations informatiques des deux types de matière – matière ordinaire et matière noire – pour expliquer la présence de caractéristiques intéressantes mesurées dans de vraies galaxies.

L'équipe annonce ses résultats en Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.

Les caractéristiques des galaxies découvertes par l'équipe « devraient apparaître dans un univers contenant de la matière noire, mais seraient difficiles à expliquer dans un univers sans elle », explique Mercado. « Nous avons montré que de telles caractéristiques apparaissent dans les observations de nombreuses galaxies réelles. En prenant ces données au pied de la lettre, cela réaffirme la position du modèle de matière noire comme le modèle qui décrit le mieux l'univers dans lequel nous vivons. »

Ces caractéristiques de l'observation de Mercado décrivent des modèles de mouvements des étoiles et des gaz dans les galaxies qui semblent possibles uniquement dans un univers contenant de la matière noire.

« Les galaxies observées semblent être soumises à une relation étroite entre la matière que nous voyons et la matière noire déduite que nous détectons, à tel point que certains ont suggéré que ce que nous appelons la matière noire est une preuve réelle que notre théorie de la gravité est fausse », explique co-auteur James. Pollock, professeur de physique à l'Université de Californie à Irvine et doyen de l'École des sciences physiques de l'UCLA.

« Ce que nous avons montré, c'est que non seulement la matière noire prédit la relation, mais que pour de nombreuses galaxies, elle peut expliquer ce que nous voyons plus naturellement que la gravité modifiée. Je suis de plus en plus convaincu que la matière noire est le bon modèle. »

Des caractéristiques apparaissent également dans les observations faites par les partisans d’un univers sans matière noire.

« Les observations que nous avons examinées – les mêmes observations dans lesquelles nous avons trouvé ces caractéristiques – ont été faites par des adeptes des théories sans matière noire », explique le co-auteur Jorge Moreno, professeur agrégé de physique et d'astronomie au Pomona College.

« Malgré leur présence évidente, peu d'analyses ont été effectuées sur ces caractéristiques par cette communauté. Il a fallu des gens comme nous, des scientifiques travaillant à la fois avec la matière ordinaire et la matière noire, pour entamer la conversation. »

Moreno ajoute qu'il s'attend à ce qu'un débat au sein de sa communauté de recherche suive à la suite de l'étude, mais il pourrait y avoir un terrain d'entente, car l'équipe a également constaté que de telles caractéristiques n'apparaissent dans leurs simulations que lorsque la matière noire et la matière ordinaire sont toutes deux présentes. présent. La matière dans l'univers.

« Lorsque les étoiles naissent et meurent, elles explosent en supernovae, qui peuvent former le centre des galaxies, ce qui explique naturellement la présence de ces caractéristiques », explique Moreno. « En termes simples, les caractéristiques que nous avons examinées dans les observations nécessitent l'existence de matière noire et l'incorporation de la physique de la matière ordinaire. »

Maintenant que le modèle de matière noire de l’univers semble être le modèle leader, la prochaine étape, explique Mercado, consiste à voir s’il reste cohérent dans l’univers de la matière noire.

« Il sera intéressant de voir si nous pouvons utiliser cette même relation pour différencier les différents modèles de matière noire », explique Mercado. « Comprendre comment cette relation évolue selon différents modèles de matière noire peut nous aider à limiter les propriétés de la matière noire elle-même. »

Chercheurs supplémentaires de l’Université du Texas à Austin ; Institut de technologie de Californie ; Université de Californie, Davis ; L'Université Northwestern a collaboré aux travaux.

Le financement du travail provient d'un prix MSP-Ascend décerné par la National Science Foundation à Mercado. Mercado et Bullock ont ​​reçu le soutien de la NSF et de la NASA. Moreno reçoit un financement de la Fondation Hirsch.

source: Université de Californie, Irvine

NASAL'expérience de communications optiques dans l'espace profond a également interagi pour la première fois avec le système de communication du vaisseau spatial Psyché, transmettant des données techniques à la Terre.

À bord du vaisseau spatial Psyché de la NASA, la démonstration technologique de communications optiques dans l'espace lointain de l'agence continue de battre des records. Bien que le vaisseau spatial à destination de l’astéroïde ne s’appuie pas sur les communications optiques pour envoyer des données, la nouvelle technologie s’est avérée à la hauteur. Après avoir interagi avec l'émetteur radiofréquence de Psyché, l'écran de communication laser a transmis une copie des données techniques à une distance de plus de 140 millions de miles (226 millions de kilomètres), soit l'équivalent d'une fois et demie la distance entre la Terre et le Soleil.

Cette réalisation donne un aperçu de la manière dont les vaisseaux spatiaux utiliseront les communications optiques à l'avenir, permettant des communications à plus haut débit d'informations scientifiques complexes ainsi que des images et des vidéos haute définition pour soutenir le prochain pas de géant de l'humanité : envoyer des humains dans l'espace. Mars.

Cette visualisation montre la position du vaisseau spatial Psyché le 8 avril lorsque l'émetteur-récepteur laser aéronautique DSOC a transmis des données à un débit de 25 mégabits par seconde sur une portée de 140 millions de miles vers une station de liaison descendante sur Terre. Source de l'image : NASA/JPL-Caltech

« Nous avons fourni environ 10 minutes de données en double du vaisseau spatial lors de son survol le 8 avril », a déclaré Meera Srinivasan, responsable des opérations du projet au Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud. « Jusqu'à présent, nous transmettions des données de test et de diagnostic via nos liaisons descendantes depuis Psyché. Cela représente une étape importante pour le projet en montrant comment les communications optiques peuvent interagir avec le système de communication radiofréquence du vaisseau spatial. »

La technologie de communication laser utilisée dans cette démonstration est conçue pour transmettre des données depuis l'espace lointain à des vitesses 10 à 100 fois plus rapides que les systèmes radiofréquences modernes utilisés aujourd'hui par les missions dans l'espace lointain.

Après son lancement le 13 octobre 2023, le vaisseau spatial reste intact et stable pendant son voyage vers la principale ceinture d'astéroïdes entre Mars et la Terre. Jupiter Pour visiter l'astéroïde lui-même.

Dépasser les attentes

La démonstration des communications optiques de la NASA a montré qu'elle peut transmettre des données de test à un débit maximum de 267 mégabits par seconde (Mbps) à partir du laser de liaison descendante proche infrarouge de l'émetteur-récepteur laser – un débit binaire similaire aux vitesses de téléchargement Internet haut débit.

Cet objectif a été atteint le 11 décembre 2023, lorsque l'expérience a envoyé une vidéo haute résolution de 15 secondes sur Terre à une distance de 19 millions de miles (31 millions de kilomètres, soit environ 80 fois la distance entre la Terre et la Lune). Vidéo, ainsi que d'autres données de test, y compris des versions numériques de l'Arizona State University Inspiré psychologiquement L'œuvre d'art a été téléchargée sur un émetteur-récepteur laser d'aviation (voir l'image ci-dessous) avant le lancement de Psyché l'année dernière.

L'émetteur-récepteur laser Deep Space Optical Communications (DSOC) est exposé au Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud en avril 2021, avant d'être installé à l'intérieur de son boîtier carré qui a ensuite été intégré au vaisseau spatial Psyche de la NASA. L'émetteur-récepteur se compose d'un émetteur laser proche infrarouge pour envoyer des données à grande vitesse vers la Terre, et d'une caméra sensible de comptage de photons pour recevoir des données à faible vitesse envoyées depuis la Terre. L'émetteur-récepteur est monté sur un ensemble d'entretoises et d'actionneurs (illustrés sur cette image) qui stabilisent l'optique des vibrations du vaisseau spatial. Source de l'image : NASA/JPL-Caltech

Maintenant que le vaisseau spatial est plus de sept fois plus éloigné, la vitesse à laquelle il peut envoyer et recevoir des données a diminué, comme prévu. Lors du test du 8 avril, le vaisseau spatial a transmis des données de test à un débit maximum de 25 Mbps, dépassant de loin l'objectif du projet consistant à prouver qu'au moins 1 Mbps peut être atteint à cette distance.

L'équipe du projet a également demandé à l'émetteur-récepteur de transmettre optiquement les données générées par Psyché. Pendant que Psyché transmettait des données via son canal radiofréquence au Deep Space Network (DSN) de la NASA, le système de communications optiques transmettait simultanément une partie des mêmes données au télescope Hale de l'observatoire Palomar de Caltech dans le comté de San Diego, en Californie. démonstration de la technologie des stations terriennes de liaison descendante.

« Après avoir reçu les données de DSN et Palomar, nous avons vérifié visuellement les données associées dans Laboratoire de propulsion à réactiona déclaré Ken Andrews, responsable des opérations de vol du projet au JPL. « Il s’agissait d’une petite quantité de données transférées sur une courte période, mais le fait que nous le fassions maintenant a dépassé toutes nos attentes. »

Amusez-vous avec les lasers

Après le lancement de Psyché, la démo de communications optiques a été initialement utilisée pour relier des données préchargées, notamment des données Vidéo du chat Taters. Depuis, le projet a prouvé que l'émetteur-récepteur peut recevoir des données de… Laser de liaison montante haute puissance Dans les installations du JPL à Table Mountain, près de Wrightwood, en Californie. Les données peuvent également être envoyées à un émetteur-récepteur, puis reliées à la Terre la même nuit, comme le projet l'a démontré dans une récente « expérience de transformation ».

Cette expérience a transmis des données de test – ainsi que des photos numériques d’animaux de compagnie – à Psyché et vice-versa, un aller-retour allant jusqu’à 280 millions de miles (450 millions de kilomètres). Il a également communiqué de grandes quantités de données techniques pour la démonstration technologique visant à étudier les propriétés de la liaison de communication optique.

« Nous avons beaucoup appris sur la mesure dans laquelle nous pouvons pousser le système lorsque le ciel est dégagé. Tempêtes «Ils ont parfois interrompu leurs opérations à Table Mountain et à Palomar», a déclaré Ryan Rogalin, responsable du projet électronique du récepteur au JPL. (Bien que les communications par radiofréquence puissent fonctionner dans la plupart des conditions météorologiques, les communications optiques nécessitent un ciel relativement dégagé pour transmettre des données à large bande passante.)

La Deep Space Station 13 du complexe Goldstone de la NASA en Californie, qui fait partie du Deep Space Network de l'agence, est une antenne expérimentale modernisée dotée d'une pointe optique. Initialement, cette preuve de concept recevait simultanément des signaux radiofréquence et laser provenant de l’espace lointain. Source de l'image : NASA/JPL-Caltech

Le JPL a récemment mené une expérience visant à combiner Palomar, une antenne optique radiofréquence expérimentale du Goldstone Deep Space Communications Complex de DSN à Barstow, en Californie, et un détecteur à Table Mountain pour recevoir le même signal de concert. « Organiser » plusieurs stations au sol pour imiter un grand récepteur peut aider à amplifier le signal de l'espace lointain. Cette stratégie peut également être utile si une station au sol est contrainte de se déconnecter en raison des conditions météorologiques ; D'autres stations peuvent toujours recevoir le signal.

En savoir plus sur la mission

Cette démonstration, gérée par le JPL, est la dernière d'une série d'expériences de communications optiques financées par le programme Technology Demonstration Mission (TDM) de la NASA et le programme SCaN (Space Communications and Navigation) de l'agence au sein de la Direction des missions des opérations spatiales. Le développement de l'émetteur-récepteur laser pour l'aviation est soutenu par Massachusetts Institute of Technology Lincoln Laboratory, L3 Harris, CACI, First Mode, Controlled Dynamics Inc., Fibretek, Coherent et Dotfast prennent en charge les systèmes au sol. Une partie de cette technologie a été développée dans le cadre du programme de recherche sur l'innovation dans les petites entreprises de la NASA.

L'Arizona State University dirige la mission Psyché. JPL est responsable de la gestion globale de la mission, de l’ingénierie système, de l’intégration et des tests, ainsi que des opérations de la mission. Psyché est la 14e mission sélectionnée dans le cadre du programme d'exploration de la NASA relevant de la Direction des missions scientifiques, gérée par le Marshall Space Flight Center de l'agence à Huntsville, en Alabama. Le programme de services de lancement de la NASA, dont le siège est au Kennedy Space Center de l'agence en Floride, a géré le service de lancement. Maxar Technologies a fourni le châssis du vaisseau spatial à propulsion électrique solaire à haute énergie de Palo Alto, en Californie.

Pendant des décennies, la plupart des estimations de l'eau totale des rivières sur Terre étaient des améliorations par rapport aux chiffres de l'ONU de 1974. De meilleures estimations ont été difficiles à obtenir en raison du manque d'observations des rivières du monde, en particulier celles qui sont éloignées des concentrations humaines. Aujourd'hui, en utilisant une nouvelle approche, les scientifiques de la NASA ont réalisé de nouvelles estimations de la quantité d'eau qui s'écoule dans les rivières de la Terre, de la vitesse à laquelle elle s'écoule dans l'océan et de la fluctuation de ces deux chiffres au fil du temps. Ces informations sont essentielles pour comprendre le cycle de l’eau de la planète et gérer les réserves d’eau douce.

Pour obtenir une image globale de la quantité d'eau que contiennent les rivières de la Terre, des scientifiques du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA ont combiné des mesures de débitmètre avec des modèles informatiques d'environ 3 millions de segments de rivières à travers le monde. La recherche a été dirigée par Elissa Collins, qui a mené l’analyse en tant que stagiaire au JPL et doctorante à la North Carolina State University. Publié dans Sciences naturelles de la terre.

Les scientifiques ont estimé que le volume total d'eau des rivières de la Terre, en moyenne, entre 1980 et 2009, était de 2 246 kilomètres cubes (539 miles cubes). Cela équivaut à la moitié de l’eau du lac Michigan et à environ 0,006 % de l’eau douce totale, qui représente elle-même 2,5 % du volume mondial. Même si les rivières représentent une petite partie de l'approvisionnement total en eau de la planète, elles sont vitales pour les humains depuis les premières civilisations.

La carte en haut de cette page montre le volume d'eau stocké par région hydrologique. Les chercheurs ont estimé que le bassin amazonien (bleu foncé) contient environ 38 pour cent de l'eau fluviale mondiale, le pourcentage le plus élevé évalué dans toutes les régions hydrologiques. Le même bassin rejette également le plus d’eau dans l’océan (deuxième carte) : 6 789 kilomètres cubes (1 629 miles cubes) par an. Cela représente 18 % des rejets mondiaux dans les océans, qui ont atteint en moyenne 37 411 kilomètres cubes (8 975 milles cubes) par an de 1980 à 2009.

Bien qu'il ne soit pas possible qu'une rivière ait un débit négatif (l'approche de l'étude ne permet pas un écoulement en amont), à des fins comptables, il est possible que moins d'eau sorte de certaines parties de la rivière qu'elle n'en entre. C’est ce que les chercheurs ont découvert pour certaines parties des bassins des fleuves Colorado, Amazone et Orange, ainsi que pour le bassin Murray-Darling, dans le sud-est de l’Australie. Ces flux négatifs indiquent pour la plupart une utilisation humaine intense de l’eau.

« Ce sont les endroits où nous voyons les empreintes digitales de la gestion de l’eau », a déclaré Collins.

Images de l'Observatoire de la Terre de la NASA par Lauren Dauphin, utilisant les données de Collins, L. et coll. (2024). Le texte a été modifié de Matériel publié pour la première fois Le 24 avril 2024, par Andrew Wang/JPL.