Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В космологии и физике , холодная темная материя ( CDM ) является гипотетической тип темной материи . Наблюдения показывают, что примерно 85% вещества 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 [ править ]

Теория холодной темной материи была первоначально опубликована в 1982 году тремя независимыми группами космологов: Джеймсом Пиблсом ; [1] Дж. Ричард Бонд , Алекс Салай и Майкл Тернер ; [2] и Джордж Блюменталь , Х. Пейджелс и Джоэл Примак . [3] В обзорной статье 1984 года Блюменталя, Сандры Мур, Фабер , Примака и Мартина Риса были развиты детали теории. [4]

Формирование структуры [ править ]

В теории холодной темной материи структура растет иерархически, при этом маленькие объекты сначала коллапсируют 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 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 видим сегодня - крупномасштабной структуре Вселенной. Карликовые галактики имеют решающее значение для этой теории, так как они были созданы мелкомасштабными флуктуациями плотности в ранней Вселенной; [5] теперь они стали естественными строительными блоками, которые образуют более крупные структуры.

Состав [ править ]

Темная материя обнаруживается через ее гравитационное взаимодействие 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. [6] [7] Аксионы имеют то теоретическое преимущество, что их существование решает сильную CP-проблему в квантовой хромодинамике , но частицы аксионов только теоретизировались и никогда не обнаруживались.
  • 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 этих поисков исключают MACHO как жизнеспособного кандидата на темную материю. [8] [9] [10] [11] [12] [13]
  • 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. [9] [11] [13] ДАМА / NaI эксперимент и его преемник ДАМА / ЛИБР заявили, что непосредственно обнаружили частицы темной материи, проходящие через Землю, но многие ученые остаются скептически настроенными, потому что никакие результаты подобных экспериментов не кажутся совместимыми с результатами DAMA.

Проблемы [ править ]

Возникло несколько несоответствий между предсказаниями парадигмы холодной темной материи частиц и наблюдениями галактик и их скоплений:

Проблема cuspy гало
Распределение плотности гало темной материи при 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. [14]
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 . [15]
Проблема с диском спутников
Наблюдается, что карликовые галактики вокруг галактик Млечный Путь и Андромеды вращаются в тонких плоских структурах, тогда как моделирование предсказывает, что они должны быть распределены случайным образом вокруг своих родительских галактик. [16]
Проблема морфологии галактики
Если галактики росли иерархически, то массивным галактикам требовалось много слияний. Крупные слияния неизбежно создают классический выпуклость . Напротив, около 80% наблюдаемых галактик не показывают таких выпуклостей, а гигантские галактики из чистого диска - обычное дело. [17] Эта фракция без выпуклости была почти постоянной в течение 8 миллиардов лет. [18]

Для некоторых из этих проблем предложены решения, но остается неясным, можно ли их решить без отказа от парадигмы CDM. [19]

См. Также [ править ]

  • Нечеткая холодная темная материя
  • Горячая темная материя
  • Мета-холодная темная материя
  • Модифицированная ньютоновская динамика
  • Самовзаимодействующая темная материя
  • Теплая темная материя

Ссылки [ править ]

  1. ^ Пиблз, ПРД (декабрь 1982). «Крупномасштабные фоновые колебания температуры и массы из-за масштабно-инвариантных первобытных возмущений». Астрофизический журнал . 263 : L1. Полномочный код : 1982ApJ ... 263L ... 1P . DOI : 10.1086 / 183911 .
  2. ^ Бонд, младший; Szalay, AS; Тернер, MS (1982). «Формирование галактик во вселенной с преобладанием гравитино». Письма с физическим обзором . 48 (23): 1636–1639. Bibcode : 1982PhRvL..48.1636B . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.48.1636 .
  3. ^ Блюменталь, Джордж R .; Пагельс, Хайнц; Примак, Джоэл Р. (2 сентября 1982 г.). «Формирование галактики из бездиссипативных частиц тяжелее нейтрино». Природа . 299 (5878): 37–38. Bibcode : 1982Natur.299 ... 37B . DOI : 10.1038 / 299037a0 . S2CID 4351645 . 
  4. ^ Блюменталь, GR; Faber, SM; Примак, младший; Рис, MJ (1984). «Формирование галактик и крупномасштабных структур с холодной темной материей». Природа . 311 (517): 517–525. Bibcode : 1984Natur.311..517B . DOI : 10.1038 / 311517a0 . ОСТИ 1447148 . S2CID 4324282 .  
  5. ^ Battinelli, P .; С. Демерс (06.10.2005). «C-звездное население DDO 190: 1. Введение» (PDF) . Астрономия и астрофизика . Астрономия и астрофизика. 447 : 1. Bibcode : 2006A & A ... 447..473B . DOI : 10.1051 / 0004-6361: 20052829 . Архивировано из оригинала на 2005-10-06 . Проверено 19 августа 2012 . Карликовые галактики играют решающую роль в сценарии формирования галактик CDM, поскольку были предложены как естественные строительные блоки, из которых в результате процессов слияния создаются более крупные структуры. В этом сценарии карликовые галактики образуются из мелкомасштабных флуктуаций плотности в первобытной Вселенной.
  6. ^ например, М. Тернер (2010). «Мастерская Axions 2010». U. Флорида, Гейнсвилл, США.
  7. ^ например, Пьер Сикиви (2008). «Аксионная космология». Lect. Примечания Phys. 741, 19-50.
  8. ^ Карр, BJ; и другие. (Май 2010 г.). «Новые космологические ограничения на первичные черные дыры». Physical Review D . 81 (10): 104019. arXiv : 0912.5297 . Bibcode : 2010PhRvD..81j4019C . DOI : 10.1103 / PhysRevD.81.104019 . S2CID 118946242 . 
  9. ^ а б Питер, AHG (2012). «Темная материя: краткий обзор». arXiv : 1201.3942 [ astro-ph.CO ].
  10. ^ Бертоне, Джанфранко; Хупер, Дэн; Шелк, Джозеф (январь 2005 г.). «Частица темной материи: свидетельства, кандидаты и ограничения». Отчеты по физике . 405 (5–6): 279–390. arXiv : hep-ph / 0404175 . Bibcode : 2005PhR ... 405..279B . DOI : 10.1016 / j.physrep.2004.08.031 . S2CID 118979310 . 
  11. ^ a b Гаррет, Кэтрин; Дуда, Гинтарас (2011). «Темная материя: Учебник». Успехи в астрономии . 2011 : 968283. arXiv : 1006.2483 . Bibcode : 2011AdAst2011E ... 8G . DOI : 10.1155 / 2011/968283 . S2CID 119180701 . . п. 3: «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 обзоры с помощью микролинзирования исключают барионные объекты, такие как коричневые карлики, черные дыры и нейтронные звезды в нашем галактическом гало, могут ли другие формы барионной материи составлять основную часть темной материи? Удивительно, но ответ - нет ... "
  12. ↑ Бертоне, Джанфранко (18 ноября 2010 г.). «Момент истины для темной материи вимпов». Природа . 468, стр. 389–393
  13. ^ a b Олив, Кейт А. (2003). «Лекции ТАСИ по темной материи». Физика . 54 : 21. arXiv : astro-ph / 0301505 . Bibcode : 2003astro.ph..1505O .
  14. ^ Gentile, G .; Салуччи, П. (2004). «Ядерное распределение темной материи в спиральных галактиках». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 351 (3): 903–922. arXiv : astro-ph / 0403154 . Bibcode : 2004MNRAS.351..903G . DOI : 10.1111 / j.1365-2966.2004.07836.x . S2CID 14308775 . 
  15. ^ Клыпин, Анатолий; Кравцов, Андрей В .; Валенсуэла, Октавио; Прада, Франциско (1999). «Где пропавшие галактические спутники?». Астрофизический журнал . 522 (1): 82–92. arXiv : astro-ph / 9901240 . Bibcode : 1999ApJ ... 522 ... 82K . DOI : 10.1086 / 307643 . S2CID 12983798 . 
  16. ^ Павловский, Марсель; и другие. (2014). «Со-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 . Bibcode : 2014MNRAS.442.2362P . DOI : 10.1093 / MNRAS / stu1005 .
  17. ^ Корменди, Дж . ; Drory, N .; Бендер, Р .; Корнелл, Мэн (2010). «Гигантские галактики без выпуклостей бросают вызов нашей картине образования галактик посредством иерархической кластеризации». Астрофизический журнал . 723 (1): 54–80. arXiv : 1009.3015 . Bibcode : 2010ApJ ... 723 ... 54K . DOI : 10.1088 / 0004-637X / 723/1/54 . S2CID 119303368 . 
  18. ^ Sachdeva, S .; Саха, К. (2016). «Выживание чистых дисковых галактик за последние 8 миллиардов лет». Письма в астрофизический журнал . 820 (1): L4. arXiv : 1602.08942 . Bibcode : 2016ApJ ... 820L ... 4S . DOI : 10.3847 / 2041-8205 / 820/1 / L4 . S2CID 14644377 . 
  19. ^ Kroupa, P .; Famaey, B .; de Boer, Klaas S .; Дабрингхаузен, Йорг; Павловски, Марсель; Бойлы, Кристиан; Jerjen, Helmut; Форбс, Дункан; Хенслер, Герхард (2010). «Локально-групповые тесты космологии согласования темной материи: к новой парадигме формирования структуры». Астрономия и астрофизика . 523 : 32–54. arXiv : 1006.1647 . Bibcode : 2010A & A ... 523A..32K . DOI : 10.1051 / 0004-6361 / 201014892 . S2CID 11711780 . 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Бертоне, Джанфранко (2010). Темная материя из частиц: наблюдения, модели и поиски . Издательство Кембриджского университета . п. 762. ISBN 978-0-521-76368-4.