Tỷ lệ vật chất thông thường so với vật chất tối, bên ngoài các thiên hà

Xem xét nói sơ đồ nổi bật này từ một câu hỏi khác,

Để bắt đầu với các thiên hà có mật độ điển hình D. Không gian giữa các thiên hà có mật độ thấp hơn nhiều d.

Như chúng ta đã biết: trong các thiên hà (có mật độ D) hầu hết các vật chất là vật chất tối. Hãy nói cho thuận tiện là 10: 1.

Vì vậy, tỷ lệ vật chất tối trong các thiên hà là (chúng ta sẽ nói) 10: 1.

Nhưng đây là những gì tôi không thể tìm thấy giải thích ở bất cứ đâu:

(1) Trong không gian liên thiên hà. Trước hết chỉ đơn giản là có bất kỳ vật chất tối? Hoặc, chúng ta có tin rằng vật chất tối tồn tại, đơn giản, chỉ trong các thiên hà? Không phải ở giữa?

(2) Nếu có vật chất tối giữa các thiên hà. Chúng ta có biết hay tin: tỷ lệ vật chất tối ngoài kia là bao nhiêu không? Trên thực tế, nó có cùng tỷ lệ (giả sử 10: 1) như bên trong các thiên hà không? Hoặc, nó có lẽ thậm chí còn chiếm ưu thế hơn, hoặc có lẽ ít chiếm ưu thế hơn? Tỷ lệ ngoài kia là gì?

(3) Nếu có vật chất tối ở khắp mọi nơi. Các thiên hà tồn tại trong các sợi và tường. Liệu vật chất tối làm điều này? hoặc là trải đều?

Câu trả lời ngắn gọn cho câu hỏi của bạn là không, không có vật chất tối giữa các thiên hà, ít nhất là ở bất kỳ mức độ đáng tin cậy nào.

Có một vật chất thông thường giữa các thiên hà, được gọi là môi trường liên thiên hà (IGM). IGM là một loại khí nóng cực kỳ loãng, lan tỏa khắp không gian giữa các thiên hà. Mật độ điển hình của IGM là khoảng một nguyên tử hydro trên một mét khối và nhiệt độ của nó ở khoảng 10 ^ 6 K. Nhiệt độ cao này giữ cho IGM ở trạng thái cân bằng áp suất với bất kỳ thiên hà nào và ngăn không cho nó sụp đổ vào các thiên hà.

Tuy nhiên, vật chất tối thì lạnh và thiếu sự hỗ trợ áp lực của khí trong IGM, do đó nó ngưng tụ trên các thiên hà. [1] Một điểm khác biệt thú vị giữa vật chất tối và vật chất thông thường là vật chất tối không có bất kỳ loại cơ chế làm mát nào. Kết quả là, khi vật chất thông thường sụp đổ vào một thiên hà, nó có thể làm mát và ngưng tụ thành một không gian tương đối nhỏ gọn và sau đó hình thành các ngôi sao và hành tinh. Tuy nhiên, vật chất tối vẫn mở rộng vì nó không có cách nào làm giảm năng lượng hấp dẫn của nó. Do đó, các thiên hà thể hiện một vầng hào quang vật chất tối đáng kể, trong đó tỷ lệ vật chất tối so với vật chất thông thường tăng đáng kể một vài bán kính thiên hà cách xa trung tâm. Trong chính thiên hà, vật chất thông thường chiếm ưu thế ít nhất là một thứ tự cường độ,

Một câu hỏi thú vị là liệu halos vật chất tối có tồn tại trong không gian liên thiên hà mà không có thiên hà chủ tương ứng ở trung tâm hay không. Theo như chúng tôi có thể nói, câu trả lời cho điều đó dường như là không, hoặc ít nhất, các cấu trúc như vậy phải khá nhỏ và cực kỳ hiếm. Có những thiên hà lùn (chỉ có 10 ^ 6 khối lượng mặt trời hoặc hơn) có các quầng vật chất tối khổng lồ (không tương xứng với kích thước của chúng, so với Dải Ngân hà), nhưng gần như mọi quầng sáng dường như có ít nhất một số vật chất thông thường, dù yếu đuối đến đâu.

Các khoảng trống vũ trụ là một ví dụ thậm chí còn cực đoan hơn. Các lỗ rỗng bị chi phối bởi năng lượng tối và do đó mở rộng nhanh hơn phần còn lại của vũ trụ. Các khoảng trống có xu hướng đẩy bất kỳ vật chất nào (tối hoặc mặt khác) vào các bức tường ngăn cách chúng với các khoảng trống xung quanh. Theo một nghĩa thực, vũ trụ được tạo thành từ các lỗ rỗng, và mọi thứ chúng ta biết đều nằm trên các bức tường và các sợi tơ ngăn cách chúng. Bài báo này đã kiểm tra các quầng vật chất tối trong các khoảng trống vũ trụ và về cơ bản thấy rằng không có gì. Nói cách khác, họ phát hiện ra rằng các quầng vật chất tối trong các khoảng trống vũ trụ có các thiên hà chủ thường giống như các quầng vật chất tối bên ngoài các khoảng trống vũ trụ (nghĩa là hầu như luôn luôn như vậy).

[1]: Để hoàn toàn mang tính mô phạm, tôi sẽ không nghi ngờ rằng có một vài hạt vật chất tối đang rít lên trong không gian liên thiên hà. Nhưng tôi sẽ ngạc nhiên nếu mật độ của nó vượt quá mật độ (đã bị trừng phạt) của vật chất thông thường trong IGM.

Hãy để tôi xem nếu tôi có thể trả lời ít nhất một số điều này.

1. Vâng, có vật chất tối giữa các thiên hà. Điều này được chứng minh bằng thực tế là trong các nhóm và cụm thiên hà, bạn cần nhiều vật chất tối hơn so với các thiên hà để giải thích những gì đang diễn ra: về lý do tại sao các nhóm hoặc cụm bị ràng buộc về mặt vận tốc mặc dù vận tốc cực đoan của các thiên hà trong các nhóm / cụm; Tại sao khí phát ra tia X trong các cụm rất nóng và áp suất cao mà vẫn bị giới hạn trong cụm; và để giải thích sự thấu kính hấp dẫn của các thiên hà nền theo cụm. (Cũng được hỗ trợ bởi các quan sát về những thứ như hiệu ứng Sunyaev-Zeldovich trong các cụm.)

   (Trên thực tế, bằng chứng lâu đời nhất về vật chất tối là vận tốc cực lớn của các thiên hà trong các cụm được Fritz Zwicky đo lại vào những năm 1930. Đây cũng là một trong những chế độ thất bại của Động lực học Newton thay đổi như một sự thay thế cho vật chất tối: ngay cả khi bạn nghĩ rằng bạn có thể thoát khỏi vật chất tối trong các thiên hà, cuối cùng bạn vẫn cần vật chất tối trong các cụm thiên hà, ngoài chính các thiên hà.)

   Và, tất nhiên, các mô hình vũ trụ chỉ ra rằng vật chất tối chiếm khoảng 25% mật độ tới hạn của vũ trụ. Để có được nhiều vật chất tối đó, bạn phải có nhiều vật chất tối hơn những gì bên trong các thiên hà riêng lẻ.

2. "Nếu có vật chất tối giữa các thiên hà. Chúng ta có biết hay tin không: tỷ lệ vật chất tối ngoài kia là bao nhiêu?" Tôi nghĩ rằng cách đơn giản nhất để trả lời điều này sẽ là lấy tỷ lệ vật chất tối / baryonic cho toàn vũ trụ, như được xác định bởi các quan sát và mô hình vũ trụ hiện tại. Điều này cho tỷ lệ khoảng 5: 1.

3. "Các thiên hà tồn tại trong các sợi và tường. Vật chất tối có làm được điều này không? Hay nó được trải đều?" Vâng, vật chất tối làm điều này. Lý do chúng ta thấy các thiên hà trong các dây tóc, cụm và tường là bởi vì vật chất tối đã bị hút vào các cấu trúc đó; ở quy mô này, các thiên hà về cơ bản là cùng đi, theo lực hấp dẫn của những gì vật chất tối đang làm. Lý do cho các thiên hà tồn tại trong các sợi là do sự phân bố không đồng đều của mật độ của cả vật chất thông thường và vật chất tối trong toàn vũ trụ. Sự quá mức dẫn đến sự cố sụp đổ để hình thành (ví dụ) một thiên hà, nhưng sự quá mức có thể không đối xứng. Điều này dẫn đến sự sụp đổ xảy ra nhanh hơn theo một hướng cụ thể, khiến các thiên hà hình thành trong các sợi tơ (xem ví dụtài liệu tóm tắt này để biết tổng quan).

   Trang này có hình ảnh từ một mô phỏng vũ trụ quy mô lớn (Mô phỏng thiên niên kỷ). Hầu hết các hình ảnh cho thấy cấu trúc sợi trên quy mô khác nhau được thể hiện vật chất tối chỉ .