Соотношение обычной материи к темной материи вне галактик

Рассмотрим эту выдающуюся диаграмму из другого вопроса,

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?

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.

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 .