stringtranslate.com

Холодная темная материя

В космологии и физике холодная темная материя ( ХТМ ) является гипотетическим типом темной материи . Согласно текущей стандартной модели космологии, модели Lambda-CDM , примерно 27% Вселенной состоит из темной материи и 68% из темной энергии, и лишь небольшая часть представляет собой обычную барионную материю , из которой состоят звезды , планеты и живые организмы. Холод относится к тому факту, что темная материя движется медленно по сравнению со скоростью света , что приводит к исчезающему уравнению состояния . Темный цвет указывает на то, что он очень слабо взаимодействует с обычной материей и электромагнитным излучением . Предлагаемые кандидаты на роль CDM включают слабо взаимодействующие массивные частицы , первичные черные дыры и аксионы .

История

Теория холодной темной материи была первоначально опубликована в 1982 году Джеймсом Пиблсом ; [1] тогда как картина теплой темной материи была предложена независимо одновременно Дж. Ричардом Бондом , Алексом Салаем и Майклом Тернером ; [2] и Джордж Блюменталь , Х. Пейджелс и Джоэл Примак . [3] В обзорной статье 1984 года Блюменталя, Сандры Мур Фабер , Примака и Мартина Риса были подробно описаны детали теории. [4]

Формирование структуры

В теории холодной темной материи структура растет иерархически: небольшие объекты сначала разрушаются под действием собственной гравитации и сливаются в непрерывную иерархию, образуя более крупные и массивные объекты. Предсказания парадигмы холодной темной материи в целом согласуются с наблюдениями за космологической крупномасштабной структурой .

В парадигме горячей темной материи , популярной в начале 1980-х годов и в меньшей степени сейчас, структура формируется не иерархически ( снизу вверх ), а формируется путем фрагментации ( сверху вниз ), при этом самые крупные сверхскопления формируются сначала в виде плоских блинообразных листов. и впоследствии фрагментируется 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 показано космическим микроволновым фоновым излучением). к неровному распределению галактик и их скоплений, которое мы видим сегодня, — крупномасштабной структуре Вселенной. Карликовые галактики имеют решающее значение для этой теории, поскольку они были созданы мелкомасштабными флуктуациями плотности в ранней Вселенной; [5] теперь они стали естественными строительными блоками, образующими более крупные структуры.

Состав

Темная материя обнаруживается благодаря ее гравитационному взаимодействию с обычной материей и излучением. Таким образом, очень сложно определить, из каких компонентов состоит холодная темная материя. Кандидаты делятся примерно на три категории:

Проблемы

Возникло несколько расхождений между предсказаниями холодной темной материи в модели ΛCDM и наблюдениями галактик и их кластеризацией. Для некоторых из этих проблем предложены решения, но остается неясным, можно ли их решить, не отказываясь от модели ΛCDM. [15]

Проблема ореола куспи

Распределение плотности гало темной материи в моделировании холодной темной материи (по крайней мере, в тех, которые не учитывают влияние барионной обратной связи) гораздо более пиковое, чем то, что наблюдается в галактиках при исследовании их кривых вращения. [16]

Проблема карликовой галактики

Моделирование холодной темной материи предсказывает большое количество маленьких гало темной материи, более многочисленных, чем количество маленьких карликовых галактик, которые наблюдаются вокруг таких галактик, как Млечный Путь . [17]

Проблема со спутниковым диском

Карликовые галактики вокруг галактик Млечного Пути и Андромеды вращаются в тонких плоских структурах, тогда как моделирование предсказывает, что они должны быть распределены случайным образом вокруг своих родительских галактик. [18]

Проблема высокоскоростных галактик

Галактики в ассоциации NGC 3109 удаляются слишком быстро, чтобы соответствовать ожиданиям модели ΛCDM. [19] В этой теории NGC 3109 слишком массивна и далека от Местной группы , чтобы ее можно было выбросить в результате трехстороннего взаимодействия с участием Млечного Пути или Галактики Андромеды . [20]

Проблема морфологии галактики

Если галактики росли иерархически, то массивные галактики требовали множества слияний. Крупные слияния неизбежно создают классический бум . Напротив, около 80% наблюдаемых галактик не имеют таких балджей, а гигантские чисто дисковые галактики являются обычным явлением. [21] Напряженность можно оценить количественно, сравнивая наблюдаемое сегодня распределение форм галактик с предсказаниями гидродинамического космологического моделирования высокого разрешения в рамках ΛCDM, выявляя весьма серьезную проблему, которую вряд ли удастся решить путем улучшения разрешения моделирования. [22] Высокая фракция без выпуклостей была почти постоянной в течение 8 миллиардов лет. [23]

Проблема с быстрой галактической полосой

Если бы галактики были заключены в массивные гало холодной темной материи, то полосы, которые часто возникают в их центральных областях, замедлялись бы из-за динамического трения с гало. Это находится в серьезном противоречии с тем фактом, что наблюдаемые галактические полосы обычно быстрые. [24]

Малый кризис

Сравнение модели с наблюдениями может иметь некоторые проблемы в субгалактических масштабах, возможно, предсказывая слишком много карликовых галактик и слишком много темной материи в самых внутренних областях галактик. Эту проблему называют «кризисом малого масштаба». [25] Эти небольшие масштабы труднее разрешить в компьютерном моделировании, поэтому пока неясно, является ли проблема в симуляциях, нестандартных свойствах темной материи или более радикальной ошибке в модели.

Галактики с высоким красным смещением

Наблюдения с космического телескопа Джеймса Уэбба привели к обнаружению различных галактик, подтвержденных спектроскопией с высоким красным смещением, таких как JADES-GS-z13-0 с космологическим красным смещением 13,2. [26] [27] Другие галактики-кандидаты, которые не были подтверждены спектроскопией, включают CEERS-93316 с космологическим красным смещением 16,7. Такая высокая скорость образования больших галактик в ранней Вселенной, по-видимому, противоречит скорости образования галактик, допускаемой в существующей модели Lambda CDM через гало темной материи, как будто даже если бы образование галактик было на 100% эффективным и вся масса могла бы превратиться в звезды. в Lambda CDM этого было бы недостаточно для создания таких больших галактик. [28] [29] [30] Однако это зависит от предположения о начальной функции масс звезды . Если бы раннее звездообразование благоприятствовало массивным звездам, это могло бы объяснить напряженность. [31]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Пиблс, PJE (декабрь 1982 г.). «Крупномасштабные фоновые колебания температуры и массы из-за масштабно-инвариантных первобытных возмущений». Астрофизический журнал . 263 : Л1. Бибкод : 1982ApJ...263L...1P. дои : 10.1086/183911 .
  2. ^ Бонд, младший; Салай, А.С.; Тернер, MS (1982). «Формирование галактик во вселенной с преобладанием гравитино». Письма о физических отзывах . 48 (23): 1636–1639. Бибкод : 1982PhRvL..48.1636B. doi :10.1103/PhysRevLett.48.1636.
  3. ^ Блюменталь, Джордж Р.; Пейджелс, Хайнц; Примак, Джоэл Р. (2 сентября 1982 г.). «Образование галактик бездиссипативными частицами тяжелее нейтрино». Природа . 299 (5878): 37–38. Бибкод : 1982Natur.299...37B. дои : 10.1038/299037a0. S2CID  4351645.
  4. ^ Блюменталь, Греция; Фабер, С.М.; Примак, младший; Рис, MJ (1984). «Формирование галактик и крупномасштабной структуры с холодной темной материей». Природа . 311 (517): 517–525. Бибкод : 1984Natur.311..517B. дои : 10.1038/311517a0. ОСТИ  1447148. S2CID  4324282.
  5. ^ Баттинелли, П.; С. Демерс (06 октября 2005 г.). «Звездное население C DDO 190: 1. Введение». Астрономия и астрофизика . Астрономия и астрофизика. 447 (2): 473. Бибкод : 2006A&A...447..473B. дои : 10.1051/0004-6361:20052829 . Архивировано из оригинала 15 августа 2012 г. Проверено 19 августа 2012 г. Карликовые галактики играют решающую роль в сценарии CDM формирования галактик, поскольку предполагается, что они являются естественными строительными блоками, из которых в результате процессов слияния строятся более крупные структуры. В этом сценарии карликовые галактики образуются в результате мелкомасштабных флуктуаций плотности первичной Вселенной.{{cite journal}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
  6. ^ Тернер, М.; и другие. (2010). «Мастерская Аксионов 2010». Гейнсвилл, США: Университет Флориды.[ нужна полная цитата ]
  7. ^ Сикиви, Пьер; и другие. (2008). «Аксионная космология». Лект. Примечания Физ . Том. 741. стр. 19–50.[ нужна полная цитата ]
  8. ^ аб Франческа Чадха-Дэй; Джон Эллис; Дэвид Дж. Э. Марш (23 февраля 2022 г.). «Аксионная темная материя: что это такое и почему сейчас?». Достижения науки . 8 (8): eabj3618. arXiv : 2105.01406 . Бибкод : 2022SciA....8J3618C. doi : 10.1126/sciadv.abj3618. ПМЦ 8865781 . ПМИД  35196098. 
  9. ^ Карр, Би Джей; и другие. (май 2010 г.). «Новые космологические ограничения на первичные черные дыры». Физический обзор D . 81 (10): 104019. arXiv : 0912.5297 . Бибкод : 2010PhRvD..81j4019C. doi : 10.1103/PhysRevD.81.104019. S2CID  118946242.
  10. ^ аб Питер, AHG (2012). «Темная материя: краткий обзор». arXiv : 1201.3942 [astro-ph.CO].
  11. ^ Бертоне, Джанфранко; Хупер, Дэн; Силк, Джозеф (январь 2005 г.). «Частица темной материи: доказательства, кандидаты и ограничения». Отчеты по физике . 405 (5–6): 279–390. arXiv : hep-ph/0404175 . Бибкод : 2005PhR...405..279B. doi :10.1016/j.physrep.2004.08.031. S2CID  118979310.
  12. ^ аб Гаррет, Кэтрин; Дуда, Гинтарас (2011). «Темная материя: Букварь». Достижения астрономии . 2011 : 968283. arXiv : 1006.2483 . Бибкод : 2011AdAst2011E...8G. дои : 10.1155/2011/968283 . S2CID  119180701. MACHO могут составлять лишь очень небольшой процент несветящейся массы в нашей галактике, показывая, что большая часть темной материи не может быть сильно сконцентрирована или существовать в форме барионных астрофизических объектов. Хотя исследования с помощью микролинзирования исключают присутствие барионных объектов, таких как коричневые карлики, черные дыры и нейтронные звезды, в нашем галактическом гало, могут ли другие формы барионной материи составлять основную часть темной материи? Ответ, как ни удивительно, нет  ...
  13. ↑ Бертоне, Джанфранко (18 ноября 2010 г.). «Момент истины для темной материи WIMP» (PDF) . Природа . 468 (7322): 389–393. дои : 10.1038/nature09509. PMID  21085174. S2CID  4415912.
  14. ^ ab Olive, Кейт А. (2003). «Лекции ТАСИ по темной материи». Физика . 54 : 21. arXiv : astro-ph/0301505 . Бибкод : 2003astro.ph..1505O.
  15. ^ Крупа, П.; Фамэй, Б.; де Бур, Клаас С.; Дабрингхаузен, Йорг; Павловский, Марсель; Бойли, Кристиан; Йерьен, Хельмут; Форбс, Дункан; Хенслер, Герхард (2010). «Локальные групповые тесты космологии согласия темной материи: на пути к новой парадигме формирования структур». Астрономия и астрофизика . 523 : 32–54. arXiv : 1006.1647 . Бибкод : 2010A&A...523A..32K. дои : 10.1051/0004-6361/201014892. S2CID  11711780.
  16. ^ Джентиле, Г.; Салуччи, П. (2004). «Распределение темной материи в спиральных галактиках». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 351 (3): 903–922. arXiv : astro-ph/0403154 . Бибкод : 2004MNRAS.351..903G. дои : 10.1111/j.1365-2966.2004.07836.x. S2CID  14308775.
  17. ^ Клыпин, Анатолий; Кравцов Андрей Владимирович; Валенсуэла, Октавио; Прада, Франциско (1999). «Где пропавшие галактические спутники?». Астрофизический журнал . 522 (1): 82–92. arXiv : astro-ph/9901240 . Бибкод : 1999ApJ...522...82K. дои : 10.1086/307643. S2CID  12983798.
  18. ^ Павловский, Марсель; и другие. (2014). «Совместные орбитальные структуры галактик-спутников все еще находятся в противоречии с распределением первичных карликовых галактик». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 442 (3): 2362–2380. arXiv : 1406.1799 . Бибкод : 2014MNRAS.442.2362P. doi : 10.1093/mnras/stu1005.
  19. ^ Баник, Индранил; Чжао, Х (21 января 2018 г.). «Плоскость высокоскоростных галактик в Местной группе». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 473 (3): 4033–4054. arXiv : 1701.06559 . Бибкод : 2018MNRAS.473.4033B. дои : 10.1093/mnras/stx2596 . ISSN  0035-8711.
  20. ^ Баник, Индранил; Хаслбауэр, Мориц; Павловский, Марсель С.; Фамей, Бенуа; Крупа, Павел (21 июня 2021 г.). «Об отсутствии обратных аналогов NGC 3109 в рамках ΛCDM». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 503 (4): 6170–6186. arXiv : 2105.04575 . Бибкод : 2021MNRAS.503.6170B. дои : 10.1093/mnras/stab751 . ISSN  0035-8711.
  21. ^ Корменди, Дж .; Дрори, Н.; Бендер, Р.; Корнелл, Мэн (2010). «Гигантские галактики без выпуклостей бросают вызов нашей картине формирования галактик из-за иерархической кластеризации». Астрофизический журнал . 723 (1): 54–80. arXiv : 1009.3015 . Бибкод : 2010ApJ...723...54K. дои : 10.1088/0004-637X/723/1/54. S2CID  119303368.
  22. ^ Хаслбауэр, М; Баник, я; Крупа, П; Виттенбург, Н.; Джаванмарди, Б (01 февраля 2022 г.). «Высокая доля галактик тонкого диска продолжает бросать вызов космологии ΛCDM». Астрофизический журнал . 925 (2): 183. arXiv : 2202.01221 . Бибкод : 2022ApJ...925..183H. дои : 10.3847/1538-4357/ac46ac . ISSN  1538-4357.
  23. ^ Сачдева, С.; Саха, К. (2016). «Выживание чистых дисковых галактик за последние 8 миллиардов лет». Письма астрофизического журнала . 820 (1): Л4. arXiv : 1602.08942 . Бибкод : 2016ApJ...820L...4S. дои : 10.3847/2041-8205/820/1/L4 . S2CID  14644377.
  24. ^ Махмуд, Р; Гафурян, Н.; Кашфи, Т; Баник, я; Хаслбауэр, М; Куомо, В.; Фамей, Б; Крупа, П (01.11.2021). «Полосы быстрых галактик продолжают бросать вызов стандартной космологии». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 508 (1): 926–939. arXiv : 2106.10304 . Бибкод : 2021MNRAS.508..926R. doi : 10.1093/mnras/stab2553. hdl : 10023/24680. ISSN  0035-8711.
  25. ^ Рини, Маттео (2017). «Краткий обзор: Решение мелкомасштабного кризиса». Физический обзор D . 95 (12): 121302. arXiv : 1703.10559 . Бибкод : 2017PhRvD..95l1302N. doi : 10.1103/PhysRevD.95.121302. S2CID  54675159.
  26. ↑ Чезари, Фаддей (9 декабря 2022 г.). «Уэбб из НАСА достиг новой вехи в поисках далеких галактик» . Проверено 9 декабря 2022 г.
  27. ^ Кертис-Лейк, Эмма; и другие. (27 февраля 2023 г.). «Спектроскопическое подтверждение четырех бедных металлами галактик при z = 10,3–13,2». arXiv : 2212.04568 [astro-ph.GA].
  28. ^ О'Каллаган, Джонатан (6 декабря 2022 г.). «Астрономы борются с открытием JWST ранних галактик». Научный американец . Проверено 10 декабря 2022 г.
  29. ^ Бехрузи, Питер; Конрой, Чарли; Векслер, Риса Х.; Хирин, Эндрю; Уильямс, Кристина С.; Мостер, Бенджамин П.; Юнг, Л. И. Аарон; Сомервилл, Рэйчел С.; Готтлёбер, Стефан; Йепес, Густаво; Эндсли, Райан (декабрь 2020 г.). «Вселенная на z > 10: прогнозы для JWST от UNIVERSEMACHINE DR1». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 499 (4): 5702–5718. arXiv : 2007.04988 . Бибкод : 2020MNRAS.499.5702B. doi : 10.1093/mnras/staa3164.
  30. ^ Волкер Шпрингель; Ларс Хернквист (февраль 2003 г.). «История звездообразования во вселенной холодной темной материи». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 339 (2): 312–334. arXiv : astro-ph/0206395 . Бибкод : 2003MNRAS.339..312S. дои : 10.1046/j.1365-8711.2003.06207.x. S2CID  8715136.
  31. ^ Бойлан-Колчин, Майкл (2023). «Стресс-тестирование ΛCDM с кандидатами в галактики с большим красным смещением». Природная астрономия . 7 (6): 731–735. arXiv : 2208.01611 . дои : 10.1038/s41550-023-01937-7. ПМЦ 10281863 . PMID  37351007. S2CID  251252960. 

дальнейшее чтение