Konventionelles Verhältnis von Materie zu Dunkler Materie außerhalb von Galaxien

Betrachten Sie sagen, dieses hervorragende Diagramm aus einer anderen Frage,

Zunächst haben Galaxien eine typische Dichte D. Der intergalaktische Raum hat eine viel geringere Dichte d.

Wie wir wissen: In Galaxien (mit Dichte D) ist das meiste Material dunkle Materie. Nehmen wir der Einfachheit halber an, es ist 10: 1.

Das Verhältnis der Dunklen Materie in Galaxien beträgt also (wir werden sagen) 10: 1.

Aber hier ist was ich nirgends erklärt finden kann:

(1) Im intergalaktischen Raum. Gibt es überhaupt eine dunkle Materie? Oder glauben wir, dass dunkle Materie einfach nur in Galaxien existiert? Nicht zwischen?

(2) Befindet sich dunkle Materie zwischen Galaxien? Wissen oder glauben wir: Wie ist das Verhältnis der Dunklen Materie da draußen? Ist es tatsächlich genau das gleiche Verhältnis (sagen wir 10: 1) wie in Galaxien? Oder ist es vielleicht noch dominanter oder viel weniger dominant? Wie ist das Verhältnis da draußen?

(3) Wenn es überall dunkle Materie gibt. Galaxien existieren in Filamenten und Wänden. Macht dunkle Materie das? oder ist es gleichmäßig verteilt?

Die kurze Antwort auf Ihre Frage lautet: Nein, es gibt keine dunkle Materie zwischen Galaxien, zumindest auf keiner nennenswerten Ebene.

Zwischen Galaxien gibt es gewöhnliche Materie, das so genannte intergalaktische Medium (IGM). Das IGM ist ein extrem verdünntes, heißes Gas, das den Raum zwischen den Galaxien durchdringt. Die typische Dichte des IGM liegt bei etwa einem Wasserstoffatom pro Kubikmeter und seine Temperatur liegt bei etwa 10 ^ 6 K. Diese hohen Temperaturen halten das IGM im Druckgleichgewicht mit Galaxien und verhindern, dass es auf Galaxien kollabiert.

Dunkle Materie ist jedoch kalt und es fehlt ihr die Druckunterstützung des Gases im IGM, so dass es zu Galaxien kondensiert. [1] Ein interessanter Unterschied zwischen Dunkler Materie und gewöhnlicher Materie ist, dass Dunkler Materie jegliche Art von Kühlmechanismus fehlt. Wenn gewöhnliche Materie auf einer Galaxie zusammenbricht, kann sie sich abkühlen und in einem relativ kompakten Raum kondensieren und später Sterne und Planeten bilden. Die dunkle Materie bleibt jedoch ausgedehnt, da sie ihre potentielle Gravitationsenergie nicht abgeben kann. Galaxien weisen daher einen wesentlichen Lichthof für dunkle Materie auf, wobei das Verhältnis von dunkler Materie zu gewöhnlicher Materie einige galaktische Radien vom Zentrum entfernt erheblich zunimmt. Innerhalb der Galaxie selbst dominiert die gewöhnliche Materie um mindestens eine Größenordnung.

Eine interessante Frage ist, ob Halos aus dunkler Materie im intergalaktischen Raum existieren oder nicht, ohne eine entsprechende Wirtsgalaxie im Zentrum. Soweit wir das beurteilen können, scheint die Antwort darauf Nein zu sein, oder zumindest müssen solche Strukturen recht klein und äußerst selten sein. Es gibt Zwerggalaxien (nur 10 ^ 6 Sonnenmassen oder so), die enorme Halos aus dunkler Materie haben (die im Verhältnis zur Milchstraße in keinem Verhältnis zu ihrer Größe stehen), aber fast jeder Halo scheint zumindest eine gewöhnliche Materie zu haben. egal wie schwach.

Kosmische Hohlräume sind ein noch extremeres Beispiel. Hohlräume werden von dunkler Energie dominiert und dehnen sich daher schneller aus als der Rest des Universums. Hohlräume neigen dazu, jegliche Materie (dunkel oder auf andere Weise) in Wände zu drücken, die sie von umgebenden Hohlräumen trennen. Im eigentlichen Sinne besteht das Universum aus Hohlräumen, und alles, was wir wissen, liegt an den Wänden und Filamenten, die sie trennen. Diese Arbeit untersuchte Halos aus dunkler Materie in kosmischen Hohlräumen und stellte im Wesentlichen fest, dass es keine gab. Mit anderen Worten, sie fanden heraus, dass Halos aus dunkler Materie in kosmischen Hohlräumen genauso oft Wirtsgalaxien aufweisen wie Halos aus dunkler Materie außerhalb kosmischer Hohlräume (was fast immer bedeutet).

[1]: Um absolut pedantisch zu sein, würde ich nicht bezweifeln, dass im intergalaktischen Raum einige Partikel der dunklen Materie herumflitzen. Aber ich wäre überrascht, wenn seine Dichte die (ohnehin mickrige) Dichte gewöhnlicher Materie im IGM überschreiten würde.

Lassen Sie mich sehen, ob ich zumindest einen Teil davon beantworten kann.

1. Ja, es gibt dunkle Materie zwischen Galaxien. Dies wird durch die Tatsache belegt, dass in Galaxiengruppen und -haufen mehr dunkle Materie benötigt wird als in den Galaxien selbst, um zu erklären, was vor sich geht: in Bezug darauf, warum die Gruppen oder Haufen trotz der extremen Geschwindigkeiten der Erde gravitativ gebunden sind Galaxien innerhalb der Gruppen / Cluster; warum das Röntgenstrahlen emittierende Gas in Clustern so heiß und unter hohem Druck steht und dennoch auf den Cluster beschränkt ist; und um die Gravitationslinsenbildung von Hintergrundgalaxien durch Cluster zu erklären. (Unterstützt auch durch Beobachtungen von Dingen wie dem Sunyaev-Zeldovich-Effekt in Clustern.)

   (Der älteste Beweis für dunkle Materie waren die extrem hohen Geschwindigkeiten von Galaxien innerhalb von Clustern, die Fritz Zwicky bereits in den 1930er Jahren gemessen hatte. Dies ist auch einer der Fehlermodi der Modifizierten Newtonschen Dynamik als Alternative zur dunklen Materie: auch wenn Wenn Sie glauben, dass Sie dunkle Materie in Galaxien loswerden können, brauchen Sie immer noch dunkle Materie in Galaxienhaufen, zusätzlich zu den Galaxien selbst.)

   Und natürlich zeigen kosmologische Modelle, dass die Dunkle Materie etwa 25% der kritischen Dichte des Universums ausmacht. Um so viel dunkle Materie zu haben , muss man mehr dunkle Materie haben als in einzelnen Galaxien.

2. "Wenn es zwischen Galaxien dunkle Materie gibt. Wissen oder glauben wir: Wie ist das Verhältnis der dunklen Materie da draußen?" Ich denke, der einfachste Weg, dies zu beantworten, wäre, das Dunkle-Materie / Baryonische-Materie-Verhältnis für das Universum als Ganzes zu nehmen, wie es durch aktuelle kosmologische Beobachtungen und Modelle bestimmt wird. Dies ergibt ein Verhältnis von etwa 5: 1.

3. "Galaxien existieren in Filamenten und Wänden. Macht dunkle Materie das? Oder ist es gleichmäßig verteilt?" Ja, dunkle Materie macht das. Der Grund, warum wir Galaxien in Filamenten, Clustern und Wänden sehen, ist, dass die dunkle Materie durch die Gravitation in diese Strukturen hineingeklumpt ist. In dieser Größenordnung sind die Galaxien im Grunde genommen auf dem richtigen Weg, um der Anziehungskraft der dunklen Materie zu folgen. Der Grund für die Existenz von Galaxien in Filamenten liegt in der ungleichmäßigen Verteilung der Dichte sowohl der regulären als auch der dunklen Materie im gesamten Universum. Eine Überdichte führt dazu, dass die Materie zusammenbricht, um (zum Beispiel) eine Galaxie zu bilden, aber die Überdichte kann asymmetrisch sein. Dies führt dazu, dass der Kollaps in einer bestimmten Richtung schneller abläuft und sich Galaxien in Filamenten bilden (siehe zdiese Zusammenfassung für einen Überblick).

   Diese Seite enthält Bilder aus einer groß angelegten kosmologischen Simulation (der Millennium-Simulation). Die meisten der Bilder fadenförmige Struktur auf verschiedenen Skalen zeigen zeigen die dunkle Materie nur .