Kall mörk materia

Kall mörk materia ( eng.  Cold dark matter , CDM ) är en påstådd typ av mörk materia , vars partiklar rör sig långsamt jämfört med ljusets hastighet (begreppet kyla i CDM-modellen) och interagerar svagt med vanlig materia och elektromagnetisk strålning (begreppet mörk i CDM-modellen).modeller). Man tror att cirka 84,54 % av materien i universum är mörk materia, och endast en liten del är den vanliga baryoniska materien som utgör stjärnor, planeter och levande organismer.

Historien om utvecklingen av teorin

År 1982 publicerade tre oberoende grupper av kosmologer artiklar om teorin om kall mörk materia: James Peebles , [1] John Bond , Alex Salai ; Michael Turner ; [2] och George Blumenthal , H. Pagels och Joel Primack [3] . En betydande översiktsartikel om detaljerna i teorin skrevs 1984 av Blumenthal, Sandra Faber , Primak och Martin Rees [4] .

Innehållet i teorin

Bildande av strukturer

I teorin om kall mörk materia sker tillväxten av strukturer hierarkiskt, medan föremål i små skalor är de första som kollapsar under påverkan av självgravitationen och smälter samman inom en kontinuerlig hierarkisk struktur för att bilda större och mer massiva strukturer. Under det heta mörka materia -paradigmet som var populärt i början av 1980-talet växte strukturer inte hierarkiskt, utan bildades genom fragmentering, med de största superklustren som först bildades i platta strukturer och sedan splittrades i mindre delar, som vår Vintergatans galax . De slutsatser som erhållits inom ramen för paradigmet för kall mörk materia stämmer väl överens med observationer av storskaliga strukturer i universum.

Lambda-CDM-modell

Huvudartikel: Lambda-CDM-modell

Sedan slutet av 1980-1990-talet har de flesta kosmologer föredragit teorin om kall mörk materia (främst lambda-CDM-modellen ) för att beskriva hur universum från ett initialt relativt homogent tillstånd i ett tidigt utvecklingsstadium (vilket framgår av fördelningen av kosmisk mikrovågsstrålning ) har övergått till tillståndet för den moderna ojämna spridningen av galaxer och galaxhopar . I teorin om kall mörk materia är dvärggalaxernas roll väsentlig, eftersom de betraktas som block från vilka större strukturer bildas, skapade av småskaliga densitetsfluktuationer i det tidiga universum [5] .

Naturen hos mörk materia partiklar

Mörk materia definieras av dess gravitationsinteraktion med vanlig materia och strålning. Det är alltså svårt att avgöra vilka komponenter kall mörk materia består av. Kandidatobjekt kan delas in i tre grupper.

• Axioner är mycket lätta partiklar med en speciell typ av interaktion med varandra [6] [7] . Axioner har den teoretiska fördelen att deras existens kan lösa ett av problemen med kvantkromodynamiken , men än så länge har dessa partiklar inte upptäckts.

• MACHO eller Massive Compact Halo-objekt är stora, täta objekt som svarta hål , neutronstjärnor , vita dvärgar , mycket svaga stjärnor eller icke-lysande objekt som planeter. Sökandet efter sådana objekt består i att använda gravitationslinsmetoden för att upptäcka inverkan av sådana objekt på bilder av bakgrundsgalaxer. De flesta experter tror att de begränsningar som härrör från resultaten av sökningen efter objekt utesluter MACHO bland kandidaterna för mörk materia-objekt [8] [9] [10] [11] [12] [13] .

• WIMP: Mörk materia kan vara gjord av svagt interagerande massiva partiklar . Hittills har partiklar med de nödvändiga egenskaperna inte upptäckts, men många förlängningar av standardmodellen förutsäger förekomsten av sådana partiklar. Sökandet efter WIMP inkluderar försök att upptäcka dem direkt med mycket känsliga detektorer, såväl som försök att skapa dem vid partikelacceleratorer. WIMPs anses vanligtvis vara de mest troliga kandidaterna för komponenter av mörk materia [9] [11] [13] . DAMA/NaI- experimentet och det efterföljande DAMA/LIBRA- experimentet utfördes för att försöka direkt detektera mörk materia som passerar genom jorden, men många forskare är skeptiska till experimenten eftersom resultaten från liknande projekt inte överensstämmer med DAMA-resultaten.

Svårigheter

Det finns flera skillnader mellan förutsägelserna från modellen med kall mörk materia och observationer av galaxer och deras kluster.

• Problemet med cuspy  halo : fördelningen av mörk materia densitet i simuleringar som involverar kall mörk materia har en mycket mer uttalad topp i den centrala delen jämfört med den observerade fördelningen som erhålls från analysen av galaxrotationskurvor [14] .
• Problemet med saknade satelliter : simuleringar av kall mörk materia förutsäger ett  mycket större antal dvärggalaxer än vad som observeras runt galaxer som Vintergatan [15] .
• Satellitdiskproblem: dvärggalaxer runt Vintergatan och Andromeda-nebulosan observeras cirkulera inom tunna platta strukturer, men simuleringar visar att satellitbanor måste vara slumpmässigt orienterade [16] .
• Problemet med galaxmorfologi: om galaxer växer hierarkiskt krävs många sammanslagningar för att massiva galaxer ska kunna uppstå. Stora sammanslagningar skapar klassiska utbuktningar . Men 80 % av de observerade galaxerna har ingen utbuktning, medan det finns många gigantiska skivgalaxer utan utbuktning [17] . Andelen galaxer utan utbuktning har varit ungefär konstant under de senaste 8 miljarder åren [18] .

Lösningar har föreslagits för vissa problem, men det är fortfarande oklart om problemen kan lösas utan att förkasta paradigmet för kall mörk materia [19] .

Anteckningar

1. ↑ Peebles, PJE Storskalig bakgrundstemperatur och massfluktuationer på grund av skalinvarianta urtidsstörningar  //  The Astrophysical Journal  : journal. - IOP Publishing , 1982. - December ( vol. 263 ). - P.L1 . - doi : 10.1086/183911 . - .
2. ↑ Bildande av galaxer i ett gravitinodominerat universum  // Physical Review Letters  : journal  . — Vol. 48 . - P. 1636-1639 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.48.1636 . - .
3. ↑ Blumenthal, George R.; Pagels, Heinz; Primack, Joel R. Galaxbildning genom avledningsfria partiklar tyngre än neutrinos  //  Nature : journal. - 1982. - 2 september ( vol. 299 , nr 5878 ). - S. 37-38 . - doi : 10.1038/299037a0 . - .
4. ↑ Blumenthal, G. R.; Faber, S.M.; Primack, JR; Rees,, MJ Bildning av galaxer och storskalig struktur med kall mörk materia  (engelska)  // Nature : journal. - 1984. - Vol. 311 , nr. 517 . - P. 517-525 . - doi : 10.1038/311517a0 . — .
5. ↑ Battinelli, P.; S. Demers. C-stjärnepopulationen i DDO 190: 1. Introduktion  // Astronomy and Astrophysics  : journal  . - Astronomy & Astrophysics, 2005. - 6 oktober ( vol. 447 ). — S. 1 . - doi : 10.1051/0004-6361:20052829 . - . Arkiverad från originalet den 6 oktober 2005.
6. ↑ t.ex. M. Turner . Axions 2010 Workshop, U. Florida, Gainesville, USA.
7. ↑ t.ex. Pierre Sikivie . Axion Cosmology, Lect. Anteckningar Phys. 741, 19-50.
8. ↑ Carr, BJ et al. Nya kosmologiska begränsningar för primordiala svarta hål  (engelska)  // Physical Review D  : journal. - 2010. - Maj ( vol. 81 , nr 10 ). — S. 104019 . - doi : 10.1103/PhysRevD.81.104019 . — . - arXiv : 0912.5297 .
9. ↑ 1 2 Peter, AHG (2012), Dark Matter: A Brief Review, arΧiv : 1201.3942v1 [astro-ph.CO]. 
10. ↑ Bertone, Gianfranco; Hooper, Dan; Silke, Joseph Partikel mörk materia :bevis, kandidater och begränsningar  // Fysikrapporter : journal. - 2005. - Januari ( vol. 405 , nr 5-6 ). - S. 279-390 . - doi : 10.1016/j.physrep.2004.08.031 . - . - arXiv : hep-ph/0404175 .
11. ↑ 1 2 Garrett, Katherine; Duda, Gintaras. Dark Matter: A Primer // Advances in Astronomy. - T. 2011 . - S. 968283 . - doi : 10.1155/2011/968283 . - . - arXiv : 1006.2483 . . sid. 3: "MACHO kan bara stå för en mycket liten andel av den icke-ljusande massan i vår galax, vilket avslöjar att den mesta mörk materia inte kan koncentreras starkt eller existera i form av baryoniska astrofysiska objekt. Även om mikrolinsundersökningar utesluter baryoniska föremål som bruna dvärgar, svarta hål och neutronstjärnor i vår galaktiska halo, kan andra former av baryonisk materia utgöra huvuddelen av mörk materia? Svaret är överraskande nog nej..."
12. ↑ Gianfranco Bertone, "Sanningens ögonblick för WIMP mörk materia," Nature 468, 389–393 (18 november 2010)
13. ↑ 1 2 Keith A Olive. TASI-föreläsningar om mörk materia // Fysik. — Vol. 54. - S. 21.
14. ↑ Gentile, G.; P., Salucci. Kärnfördelningen av mörk materia i spiralgalaxer  (engelska)  // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society  : journal. - Oxford University Press , 2004. - Vol. 351 . - P. 903-922 . - doi : 10.1111/j.1365-2966.2004.07836.x . - . - arXiv : astro-ph/0403154 .
15. ↑ Klypin, Anatoly; Kravtsov, Andrey V.; Valenzuela, Octavio; Prada, Francisco. Var är de saknade galaktiska satelliterna? (engelska)  // The Astrophysical Journal  : journal. - IOP Publishing , 1999. - Vol. 522 . - S. 82-92 . - doi : 10.1086/307643 . - . - arXiv : astro-ph/9901240 .
16. ↑ Marcel Pawlowski et al., "Satellitgalaxstrukturer i sambana är fortfarande i konflikt med fördelningen av primordiala dvärggalaxer" MNRAS (2014) https://arxiv.org/abs/1406.1799
17. ↑ Kormendy , J.; Drory, N.; Bender, R.; Cornell, M.E. Bulgeless Giant Galaxies utmanar vår bild av galaxbildning av Hierarchical Clustering  //  The Astrophysical Journal  : journal. - IOP Publishing , 2010. - Vol. 723 . - S. 54-80 . - doi : 10.1088/0004-637X/723/1/54 . — . - arXiv : 1009.3015 .
18. ↑ Sachdeva, S.; Saha, K. Survival of Pure Disk Galaxies under de senaste 8 miljarder åren  //  The Astrophysical Journal  : journal. - IOP Publishing , 2016. - Vol. 820 . — P.L4 . - doi : 10.3847/2041-8205/820/1/L4 . — . - arXiv : 1602.08942 .
19. ↑ Kroupa, P.; Famaey, B.; de Boer, Klaas S.; Dabringhausen, Joerg; Pawlowski, Marcel; Boily, Christian; Jergen, Helmut; Forbes, Duncan; Hensler, Gerhard. Local-Group tests of dark-materia Concordance Cosmology: Towards a new paradigm for structure formation  (engelska)  // Astronomy and Astrophysics  : journal. - 2010. - Vol. 523 . - S. 32-54 . - doi : 10.1051/0004-6361/201014892 . - . - arXiv : 1006.1647 .

Ordböcker och uppslagsverk	Britannica (online)