Ореол темной материи -Dark matter halo

Смоделированное гало темной материи из космологического моделирования N тел

Согласно современным моделям физической космологии , гало темной материи является базовой единицей космологической структуры . Это гипотетическая область, отделившаяся от космического расширения и содержащая гравитационно связанную материю . Одно гало темной материи может содержать несколько вириализованных сгустков темной материи, связанных вместе под действием гравитации, известных как субгало. Современные космологические модели, такие как ΛCDM , предполагают, что гало и субгало темной материи могут содержать галактики. Ореол темной материи галактики окружает галактический диск и простирается далеко за пределы видимой галактики. Думал состоять изтемная материя , гало непосредственно не наблюдались. Об их существовании свидетельствуют наблюдения за их влиянием на движение звезд и газа в галактиках и гравитационное линзирование . Ореолы темной материи играют ключевую роль в современных моделях формирования и эволюции галактик . Теории, которые с разной степенью успеха пытаются объяснить природу гало темной материи, включают холодную темную материю (CDM) , теплую темную материю и массивные компактные объекты гало (MACHO).

Кривая вращения галактики Млечного Пути. Вертикальная ось — это скорость вращения вокруг галактического центра. Горизонтальная ось — это расстояние от галактического центра. Солнце отмечено желтым шаром. Наблюдаемая кривая скорости вращения имеет синий цвет. Предсказанная кривая, основанная на звездной массе и газе в Млечном Пути, окрашена в красный цвет. Разброс в наблюдениях примерно обозначен серыми полосами. Разница связана с темной материей или, возможно, с модификацией закона гравитации .

Кривые вращения как свидетельство гало темной материи

О присутствии темной материи (ТМ) в гало можно судить по ее гравитационному влиянию на кривую вращения спиральной галактики . Без большого количества массы во всем (примерно сферическом) гало скорость вращения галактики уменьшалась бы на больших расстояниях от галактического центра, точно так же, как орбитальные скорости внешних планет уменьшаются с расстоянием от Солнца. Однако наблюдения за спиральными галактиками, особенно радионаблюдения линейчатого излучения нейтрального атомарного водорода (известного на астрономическом языке как линия водорода 21 см , линия H1 и линия HI), показывают, что кривая вращения большинства спиральных галактик выравнивается, это означает, что скорости вращения не уменьшаются с расстоянием от галактического центра. Отсутствие какой-либо видимой материи для объяснения этих наблюдений означает либо существование ненаблюдаемой (темной) материи, впервые предложенной Кеном Фриманом в 1970 году, либо то, что теория движения под действием гравитации ( общая теория относительности ) неполна. Фриман заметил, что ожидаемого снижения скорости не было ни в NGC 300, ни в M33, и посчитал, что необнаруженная масса объясняет это. Гипотеза DM была подкреплена несколькими исследованиями.

Формирование и структура гало темной материи

Считается, что формирование ореолов темной материи сыграло важную роль в раннем формировании галактик. Во время первоначального галактического образования температура барионного вещества должна была быть все еще слишком высокой, чтобы оно могло сформировать гравитационно-связанные объекты, поэтому для добавления дополнительных гравитационных взаимодействий требовалось предварительное формирование структуры темной материи. Текущая гипотеза для этого основана на холодной темной материи (CDM) и ее формировании в структуру на ранних этапах Вселенной.

Гипотеза формирования структуры CDM начинается с возмущений плотности во Вселенной, которые растут линейно, пока не достигнут критической плотности, после чего они перестанут расширяться и схлопнутся, образуя гравитационно связанные ореолы темной материи. Эти ореолы будут продолжать расти в массе (и размере) либо за счет аккреции материала из их непосредственной близости, либо путем слияния с другими ореолами . Было обнаружено, что численное моделирование формирования структуры CDM происходит следующим образом: небольшой объем с малыми возмущениями первоначально расширяется с расширением Вселенной. С течением времени мелкомасштабные возмущения растут и разрушаются, образуя небольшие ореолы. На более позднем этапе эти маленькие ореолы сливаются, образуя единый вириализованный ореол темной материи эллипсоидальной формы, в котором обнаруживается некоторая субструктура в виде субгало темной материи.

Использование CDM решает проблемы, связанные с обычным барионным веществом, поскольку устраняет большую часть теплового и радиационного давления, которые препятствовали коллапсу барионного вещества. Тот факт, что темная материя холоднее барионной материи, позволяет ТМ формировать эти начальные, гравитационно связанные сгустки. Как только эти субгало сформировались, их гравитационного взаимодействия с барионным веществом достаточно, чтобы преодолеть тепловую энергию и позволить ей коллапсировать в первые звезды и галактики. Моделирование образования этой ранней галактики соответствует структуре, наблюдаемой в ходе галактических исследований, а также наблюдений за Космическим микроволновым фоном.

Профили плотности

Обычно используемой моделью галактических гало темной материи является псевдоизотермическое гало:

где обозначает конечную центральную плотность и радиус ядра. Это обеспечивает хорошее соответствие большинству данных кривой вращения. Однако это не может быть полным описанием, поскольку замкнутая масса не может сходиться к конечному значению при стремлении радиуса к бесконечности. Изотермическая модель является в лучшем случае приближенной. Многие эффекты могут вызывать отклонения от профиля, предсказанного этой простой моделью. Например, (i) коллапс может никогда не достичь равновесного состояния во внешней области гало темной материи, (ii) может быть важным нерадиальное движение, и (iii) слияния, связанные с (иерархическим) формированием гало, могут сделать модель сферического коллапса недействительной.

Численное моделирование формирования структуры в расширяющейся Вселенной приводит к эмпирическому профилю NFW (Наварро-Френк-Уайт) :

где – масштабный радиус, – характерная (безразмерная) плотность, = – критическая плотность замыкания. Профиль NFW называется «универсальным», потому что он работает для большого разнообразия масс гало, охватывающих четыре порядка величины, от отдельных галактик до гало скоплений галактик. Этот профиль имеет конечный гравитационный потенциал, даже несмотря на то, что интегрированная масса все еще расходится логарифмически. Стало общепринятым относиться к массе гало в реперной точке, которая заключает в себе сверхплотность, в 200 раз превышающую критическую плотность Вселенной, хотя математически профиль выходит за пределы этой условной точки. Позже был сделан вывод, что профиль плотности зависит от окружающей среды, а NFW подходит только для изолированных ореолов. Гало NFW обычно дают худшее описание данных о галактиках, чем псевдоизотермический профиль, что приводит к проблеме остроконечного гало .

Компьютерное моделирование с более высоким разрешением лучше описывается профилем Einasto :

где r — пространственный (т. е. непроекционный) радиус. Термин является функцией n, то есть плотностью на радиусе , который определяет объем, содержащий половину общей массы. Хотя добавление третьего параметра обеспечивает несколько улучшенное описание результатов численного моделирования, с точки зрения наблюдений его нельзя отличить от двухпараметрического гало NFW, и оно никак не решает проблему остроконечного гало .

Форма

Коллапс сверхплотностей в поле космической плотности в общем случае носит асферический характер. Таким образом, нет оснований ожидать, что получившиеся ореолы будут сферическими. Даже самые ранние модели формирования структуры во вселенной CDM подчеркивали, что ореолы существенно сплющены. Последующая работа показала, что поверхности равной плотности гало могут быть описаны эллипсоидами, характеризуемыми длинами их осей.

Из-за неопределенностей как в данных, так и в предсказаниях модели до сих пор неясно, согласуются ли формы гало, полученные из наблюдений, с предсказаниями космологии ΛCDM .

Субструктура гало

Вплоть до конца 1990-х годов численное моделирование образования гало выявило небольшую субструктуру. С увеличением вычислительной мощности и улучшением алгоритмов стало возможным использовать большее количество частиц и получать лучшее разрешение. В настоящее время ожидается значительное количество подструктуры. Когда маленький ореол сливается со значительно большим ореолом, он становится субгало, вращающимся внутри потенциальной ямы своего хозяина. Когда он движется по орбите, он подвергается сильным приливным силам со стороны хозяина, из-за чего он теряет массу. Кроме того, сама орбита эволюционирует по мере того, как субгало подвергается динамическому трению, которое заставляет его терять энергию и угловой момент в пользу частиц темной материи его хозяина. Выживет ли субгало как самосвязанная сущность, зависит от его массы, профиля плотности и его орбиты.

Угловой момент

Как первоначально указал Хойл и впервые продемонстрировал с помощью численного моделирования Эфстатиу и Джонс, асимметричный коллапс в расширяющейся Вселенной создает объекты со значительным угловым моментом.

Численное моделирование показало, что распределение спинового параметра для гало, образованных иерархической кластеризацией без диссипации, хорошо соответствует логарифмически нормальному распределению , медиана и ширина которого слабо зависят от массы гало, красного смещения и космологии:

с и . При всех массах гало наблюдается заметная тенденция к тому, чтобы гало с более высоким спином располагались в более плотных областях и, таким образом, были более сильно сгруппированы.

Гало темной материи Млечного Пути

Считается, что видимый диск Галактики Млечный Путь заключен в гораздо большем, примерно сферическом гало темной материи. Плотность темной материи падает по мере удаления от центра галактики. В настоящее время считается, что около 95% галактики состоит из темной материи , типа материи, которая, кажется, не взаимодействует с остальной частью материи и энергии галактики каким-либо образом, кроме как посредством гравитации . Светящееся вещество составляет примерно9 × 10 10 солнечных масс . Ореол темной материи, вероятно, включает около6 × 10 11 до3 × 10 12 солнечных масс темной материи.

Плотность темной материи на расстоянии Солнца от ядра галактики

Анализ движений звезд, проведенный Джинсом в 2014 году, рассчитал плотность темной материи (на расстоянии Солнца от центра галактики) = 0,0088 (+0,0024 -0,0018) масс Солнца / парсек ^ 3.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки