Холодная темная материя - Cold dark matter
В космологии и физике , холодная темная материя ( CDM ) является гипотетической тип темной материи . Наблюдения показывают, что примерно 85% материи во Вселенной - это темная материя, и лишь небольшая часть - это обычная барионная материя, из которой состоят звезды , планеты и живые организмы. Холод относится к тому факту, что темная материя движется медленно по сравнению со скоростью света , в то время как темная указывает на то, что она очень слабо взаимодействует с обычной материей и электромагнитным излучением .
Физическая природа CDM в настоящее время неизвестна, и существует множество возможностей. Среди них - новый тип слабовзаимодействующих массивных частиц , первичные черные дыры и аксионы .
История
Теория холодной темной материи была первоначально опубликована в 1982 году Джеймсом Пиблсом ; в то время как картина теплой темной материи была предложена независимо в то же время Дж. Ричардом Бондом , Алексом Салаем и Майклом Тернером ; и Джордж Блюменталь , Х. Пейджелс и Джоэл Примак . В обзорной статье 1984 года Блюменталя, Сандры Мур, Фабер , Примака и Мартина Риса были развиты детали теории.
Формирование структуры
В теории холодной темной материи структура растет иерархически, при этом небольшие объекты сначала коллапсируют под действием собственной гравитации, а затем сливаются в непрерывную иерархию, образуя более крупные и массивные объекты. Предсказания парадигмы холодной темной материи в целом согласуются с наблюдениями космологической крупномасштабной структуры .
В парадигме горячей темной материи , популярной в начале 1980-х годов и менее популярной сейчас, структура не формируется иерархически ( снизу вверх ), а формируется путем фрагментации ( сверху вниз ), при этом крупнейшие сверхскопления сначала образуются в плоских слоях, похожих на блины. и впоследствии распадается на более мелкие части, такие как наша галактика Млечный Путь .
С конца 1980-х или 1990-х годов большинство космологов отдают предпочтение теории холодной темной материи (в частности, современной модели Lambda-CDM ) как описанию того, как Вселенная вышла из гладкого начального состояния в ранние времена (как показывает космическое микроволновое фоновое излучение). к неравномерному распределению галактик и их скоплений, которое мы наблюдаем сегодня, - крупномасштабной структуре Вселенной. Карликовые галактики имеют решающее значение для этой теории, так как они были созданы мелкомасштабными флуктуациями плотности в ранней Вселенной; теперь они стали естественными строительными блоками, которые образуют более крупные структуры.
Сочинение
Темная материя обнаруживается по ее гравитационному взаимодействию с обычной материей и излучением. Таким образом, очень сложно определить, что входит в состав холодной темной материи. Кандидаты делятся примерно на три категории:
- Аксионы , очень легкие частицы с особым типом самовзаимодействия , что делает их подходящим кандидатом в CDM. Теоретическое преимущество аксионов состоит в том, что их существование решает сильную проблему CP в квантовой хромодинамике , но частицы аксионов только теоретизировались и никогда не обнаруживались. Аксионы являются примером более общей категории частиц, называемых WISP ( слабо взаимодействующие «тонкие» или «тонкие» частицы ), которые являются маломассивными аналогами WIMP.
- Массивные компактные гало-объекты (MACHO), большие конденсированные объекты, такие как черные дыры , нейтронные звезды , белые карлики , очень слабые звезды или несветящиеся объекты, такие как планеты . Поиск этих объектов заключается в использовании гравитационного линзирования для обнаружения воздействия этих объектов на фоновые галактики. Большинство экспертов считают, что ограничения, связанные с этими поисками, исключают MACHO как жизнеспособного кандидата на темную материю.
- Слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP). В настоящее время не существует известной частицы с требуемыми свойствами, но многие расширения стандартной модели физики элементарных частиц предсказывают такие частицы. Поиск вимпов включает попытки прямого обнаружения высокочувствительными детекторами, а также попытки создания вимпов с помощью ускорителей частиц . Вимпы обычно считаются одними из самых многообещающих кандидатов в состав темной материи. DAMA / NaI эксперимент и его преемник DAMA / LIBRA заявили иметь непосредственно обнаруженные частицы темной материи , проходящих через Землю, но многие ученые по- прежнему скептически , потому что никакие результаты подобных экспериментов не кажется , совместимы с результатами DAMA.
Вызовы
Возникло несколько расхождений между предсказаниями парадигмы холодной темной материи частиц и наблюдениями галактик и их скоплений:
- Проблема cuspy гало
- Распределение плотности гало темной материи в моделировании холодной темной материи (по крайней мере, в тех, которые не учитывают влияние барионной обратной связи) намного более пиковое, чем то, что наблюдается в галактиках при исследовании их кривых вращения.
- Проблема с пропавшими спутниками
- Моделирование холодной темной материи предсказывает большое количество маленьких гало темной материи, более многочисленное, чем количество маленьких карликовых галактик, наблюдаемых вокруг таких галактик, как Млечный Путь .
- Проблема с диском спутников
- Наблюдается, что карликовые галактики вокруг галактик Млечный Путь и Андромеда вращаются в тонких плоских структурах, тогда как моделирование предсказывает, что они должны быть распределены случайным образом вокруг своих родительских галактик.
- Проблема морфологии галактик
- Если галактики росли иерархически, то массивным галактикам требовалось много слияний. Крупные слияния неизбежно создают классическую выпуклость . Напротив, около 80% наблюдаемых галактик не демонстрируют таких выпуклостей, а гигантские галактики из чистого диска - обычное дело. Эта безударная фракция была почти постоянной в течение 8 миллиардов лет.
Для некоторых из этих проблем предложены решения, но остается неясным, можно ли их решить без отказа от парадигмы CDM.
Смотрите также
- Нечеткая холодная темная материя
- Горячая темная материя
- Мета-холодная темная материя
- Модифицированная ньютоновская динамика
- Самовзаимодействующая темная материя
- Теплая темная материя
использованная литература
дальнейшее чтение
- Бертоне, Джанфранко (2010). Частица темной материи: наблюдения, модели и поиски . Издательство Кембриджского университета . п. 762. ISBN 978-0-521-76368-4.