Соотношение обычной материи к темной материи вне галактик

16

Рассмотрим эту выдающуюся диаграмму из другого вопроса,

введите описание изображения здесь

Начнем с того, что галактики имеют типичную плотность D. Межгалактическое пространство имеет гораздо меньшую плотность d.

Как мы знаем: в галактиках (с плотностью D) большая часть вещества - темная материя. Допустим, для удобства это 10: 1.

Итак, соотношение темной материи в галактиках составляет (скажем) 10: 1.

Но вот что я нигде не могу найти объяснил:

(1) В межгалактическом пространстве. Прежде всего, просто есть ли темная материя? Или мы верим, что темная материя существует просто в галактиках? Не между?

(2) Если между галактиками есть темная материя. Знаем ли мы или верим: каково соотношение темной материи? Фактически, это такое же соотношение (скажем, 10: 1), как внутри галактик? Или это, возможно, еще более доминирующее или, возможно, гораздо менее доминирующее? Какое соотношение там?

(3) Если везде есть темная материя. Галактики существуют в нитях и стенах. Темная материя делает это? или это равномерно?

Fattie
источник
Темная материя не может быть равномерно распределена, потому что если бы это было так, галактики не были бы такими массивными, как они, и они не могли бы излучать свет так же часто, как они, или имели бы орбиты своих внешних звезд. Темная материя сгущается (или гало) вокруг галактик наверняка. Но что касается общего между галактиками, я не уверен, что кто-нибудь знает. Интересный вопрос, но я думаю, без ответа.
userLTK
Я ценю эту информацию, @userLTK - было бы здорово увидеть от кого-нибудь хороший ответ!
Толстяк
Оба эти ответа являются выдающимися, и я благодарю вас обоих. Я бы щёлкнул щедростью на оба ответа (глупо, что на сайтах SO нельзя просто нажать «вознаграждение».) Я пошел дальше и щёлкнул щедростью на предыдущий ответ, чтобы он не пропал даром. Эти ответы (к сожалению, в некотором смысле!) Просто «поднимают новые вопросы!» . Это очень заставляет задуматься, и снова я действительно ценю ответы здесь, спасибо.
Толстяк

Ответы:

6

Короткий ответ на ваш вопрос - нет, между галактиками нет темной материи, по крайней мере, на каком-то заметном уровне.

Между галактиками существует обычное вещество, называемое межгалактической средой (IGM). IGM - чрезвычайно разбавленный горячий газ, который пронизывает пространство между галактиками. Типичная плотность IGM составляет около одного атома водорода на кубический метр, а его температура составляет где-то около 10-6 К. Эти высокие температуры поддерживают IGM в равновесии давления с любыми галактиками и предотвращают его падение на галактики.

Темная материя, однако, холодная, и ей не хватает поддержки давления газа в IGM, поэтому она конденсируется в галактиках. [1] Одно интересное различие между темной материей и обычной материей состоит в том, что у темной материи нет какого-либо механизма охлаждения. В результате, когда обычная материя падает на галактику, она может охладиться и сконденсироваться в относительно компактное пространство, а затем образовать звезды и планеты. Темная материя, однако, остается расширенной, потому что у нее нет никакого способа потерять свою потенциальную гравитационную энергию. Галактики, следовательно, демонстрируют существенное гало темной материи, где отношение темной материи к обычной материи существенно увеличивается на несколько галактических радиусов от центра. Внутри самой галактики обычное вещество доминирует, по крайней мере, на порядок,

Один интересный вопрос состоит в том, существуют ли гало темной материи в межгалактическом пространстве без соответствующей галактики-хозяина в центре. Насколько мы можем судить, ответ на этот вопрос, по-видимому, не, или, по крайней мере, такие структуры должны быть довольно маленькими и чрезвычайно редкими. Существуют карликовые галактики (всего 10-6 солнечных масс или около того), которые имеют огромные гало темной материи (значительно непропорционально их размеру относительно Млечного пути), но почти в каждом гало, по-видимому, присутствует хотя бы какое-то обычное вещество, независимо от того, насколько слабым.

Космические пустоты - еще более экстремальный пример. В пустотах преобладает темная энергия, и поэтому они расширяются быстрее, чем остальная часть вселенной. Пустоты имеют тенденцию толкать любое вещество (темное или иное) в стены, которые отделяют их от окружающих пустот. В реальном смысле вселенная состоит из пустот, и все, что мы знаем, лежит на стенах и нитях, которые их разделяют. Эта статья исследовала гало темной материи в космических пустотах и, по существу, обнаружила, что их не было. Другими словами, они обнаружили, что гало темной материи в космических пустотах имеют галактики-хозяева так же часто, как гало темной материи за пределами космических пустот (то есть почти всегда).

[1]: Чтобы быть абсолютно педантичным, я не сомневаюсь, что в межгалактическом пространстве свистят несколько частиц темной материи. Но я был бы удивлен, если бы его плотность превышала (уже ничтожную) плотность обычной материи в IGM.

Дж. О'Брайен Антогнини
источник
2
Скопления галактик полны темной материи, которая не связана с галактическими гало.
Роб Джеффрис
Очень верно, хотя промежуточное пространство не считается частью IGM. Скорее он считается частью отдельной "внутрикластерной среды" или ICM.
Дж. О'Брайен Антогнини
Хорошо, я бы с этим согласился, но ваш первый абзац слишком силен, не говоря уже о том, что вы по сути определяете протяженность галактики по протяженности ее темной материи. Тем не менее, я все еще думаю, что существуют чрезвычайно большие вариации плотности барионной и темной материи, и что темная материя находится «между галактиками» так, как большинство людей думают о них.
Роб Джеффрис
Эта статья: adsabs.harvard.edu/abs/2012ApJ...746...38M использует космологическое моделирование N-тела, чтобы доказать, что темная материя выходит далеко за пределы вириальных радиусов гало («Межгалактическое пространство заполнено [темной] материей»). Хвосты галактик простираются на большие расстояния без отсечки, тогда как светящийся компонент галактик имеет определенный радиус отсечки, соответствующий радиусу охлаждения. ")
Питер Эрвин
@RobJeffries просто любопытно ... по вашему мнению, барионная материя находится в основном в галактиках (включая карликовые галактики и шаровые скопления), и что в "межгалактическом пространстве" гораздо более высокий процент темной материи?
Джек Р. Вудс
11

Дайте мне посмотреть, смогу ли я ответить хотя бы на некоторые из них.

  1. Да, между галактиками темная материя. Это подтверждается тем фактом, что в группах и скоплениях галактик вам нужно больше темной материи, чем в самих галактиках, чтобы объяснить, что происходит: с точки зрения того, почему группы или скопления гравитационно связаны, несмотря на экстремальные скорости галактики внутри групп / скоплений; почему рентгеновский газ в кластерах такой горячий и находится под высоким давлением и все же остается ограниченным кластером; и чтобы объяснить гравитационное линзирование фоновых галактик кластерами. (Также подтверждается наблюдениями таких вещей, как эффект Суняева-Зельдовича в кластерах.)

    (Фактически, самым старым доказательством темной материи были чрезвычайно высокие скорости галактик в скоплениях, измеренные Фрицем Цвикки еще в 1930-х годах. Это также один из режимов отказа Модифицированной Ньютоновской Динамики как альтернативы темной материи: даже если вы думаете, что можете избавиться от темной материи в галактиках, но вам все равно понадобится темная материя в скоплениях галактик, в дополнение к самим галактикам.)

    И, конечно же, космологические модели показывают, что темная материя составляет около 25% критической плотности Вселенной. Чтобы иметь столько темной материи, вам нужно иметь больше темной материи, чем внутри отдельных галактик.

  2. «Если между галактиками есть темная материя. Знаем ли мы или верим: каково соотношение темной материи там?» Я думаю, что самый простой способ ответить на это - взять отношение темной материи к барионной материи для Вселенной в целом, как это определено современными космологическими наблюдениями и моделями. Это дает соотношение около 5: 1.

  3. «Галактики существуют в нитях и стенах. Это делает темная материя? Или она равномерно распределена?» Да, темная материя делает это. Причина, по которой мы видим галактики в нитях, скоплениях и стенах, заключается в том, что темная материя гравитационно слиплась в эти структуры; в этом масштабе галактики в основном идут вместе, следуя гравитационному притяжению того, что делает темная материя. Причина существования галактик в нитях из-за неравномерного распределения плотности как обычной, так и темной материи по всей вселенной. Избыточная плотность приводит к тому, что вещество разрушается, образуя (например) галактику, но избыточная плотность может быть асимметричной. Это приводит к тому, что коллапс происходит быстрее в одном конкретном направлении, что приводит к образованию галактик в нитях (см., Например,этот краткий документ для обзора).

    Эта страница содержит изображения крупномасштабного космологического моделирования (Millennium Simulation). Большинство изображений , показывающих волокнистую структуру на разных уровнях показывают темную материю только .

Питер Эрвин
источник
Святое дерьмо. Итак, учитывая «проблему скорости вращения галактики». , , Вы говорите, что есть аналогичная проблема, в следующем увеличении, с группами и кластерами? В основном: члены (групп / кластеров движутся слишком быстро, то есть они должны сбежать, но не должны? Это правда? Адские колокола!
Толстяк
«Члены (групп / кластеров движутся слишком быстро, то есть они должны убежать, но не должны? Так ли это?» - Да, именно так! Кластеры обычно содержат значительное количество внебарионной материи в виде горячих веществ, Излучающий рентгеновское излучение межгалактический газ - на самом деле, его масса больше, чем у звезд галактик, - но его все еще недостаточно для удержания скопления галактик и межгалактического газа
Питер Эрвин,
Привет, @PeterErwin. Понял, большое спасибо за это. Я вернулся и немного перечитал «Популярную науку»! Действительно, если я не ошибаюсь, в исторической картине это была «проблема кластера», которая была замечена первой; позже была замечена «проблема галактики». Святое дерьмо! Как будто вся моя вселенная вывернута наизнанку.
Толстяк