Rapporto tra materia convenzionale e materia oscura, al di fuori delle galassie

Considera di dire questo eccezionale diagramma da un'altra domanda,

Tanto per cominciare le galassie hanno una densità tipica D. Lo spazio intergalattico ha una densità molto più bassa d.

Come sappiamo: nelle galassie (con densità D) la maggior parte delle cose è materia oscura. Diciamo per comodità che è 10: 1.

Quindi, il rapporto della materia oscura nelle galassie è (diremo) 10: 1.

Ma ecco cosa non riesco a trovare spiegato da nessuna parte:

(1) Nello spazio intergalattico. Prima di tutto, c'è semplicemente materia oscura? Oppure crediamo che la materia oscura esista, semplicemente, solo nelle galassie? Non in mezzo?

(2) Se c'è materia oscura tra le galassie. Sappiamo o crediamo: qual è il rapporto tra la materia oscura là fuori? In realtà, è solo lo stesso rapporto (diciamo 10: 1) delle galassie interne? Oppure è forse ancora più dominante o forse molto meno dominante? Qual è il rapporto là fuori?

(3) Se c'è materia oscura ovunque. Le galassie esistono in filamenti e pareti. La materia oscura fa questo? o è uniformemente diffuso?

La risposta breve alla tua domanda è no, non c'è materia oscura tra le galassie, almeno a qualsiasi livello apprezzabile.

C'è una materia ordinaria tra le galassie, chiamata mezzo intergalattico (IGM). L'IGM è un gas caldo estremamente diluito che pervade lo spazio tra le galassie. La densità tipica dell'IGM è di circa un atomo di idrogeno per metro cubo e la sua temperatura è di circa 10 ^ 6 K. Queste alte temperature mantengono l'IGM in equilibrio di pressione con qualsiasi galassia e ne impediscono il collasso su galassie.

La materia oscura, tuttavia, è fredda e manca del supporto di pressione del gas nell'IGM, quindi si condensa in galassie. [1] Una differenza interessante tra la materia oscura e la materia ordinaria è che la materia oscura è priva di qualsiasi meccanismo di raffreddamento. Di conseguenza, quando la materia ordinaria collassa su una galassia, può raffreddarsi e condensarsi in uno spazio relativamente compatto e successivamente formare stelle e pianeti. La materia oscura, tuttavia, rimane estesa perché non ha modo di liberare la sua energia potenziale gravitazionale. Le galassie presentano quindi un alone di sostanza oscura sostanziale, in cui il rapporto tra materia oscura e materia ordinaria aumenta sostanzialmente a pochi raggi galattici dal centro. All'interno della galassia stessa, la materia ordinaria è dominante di almeno un ordine di grandezza,

Una domanda interessante è se esistono aloni di materia oscura nello spazio intergalattico senza una galassia ospite corrispondente al centro. Per quanto ne sappiamo, la risposta a ciò sembra essere no, o almeno, tali strutture devono essere piuttosto piccole ed estremamente rare. Ci sono galassie nane (solo 10 ^ 6 masse solari circa) che hanno enormi aloni di materia oscura (molto sproporzionati rispetto alle loro dimensioni, rispetto alla Via Lattea), ma quasi ogni alone sembra avere almeno qualche materia ordinaria presente, non importa quanto debole.

I vuoti cosmici sono un esempio ancora più estremo. I vuoti sono dominati dall'energia oscura e quindi si espandono più rapidamente rispetto al resto dell'universo. I vuoti tendono a spingere qualsiasi materia (oscura o meno) nei muri che li separano dai vuoti circostanti. In un certo senso, l'universo è fatto di vuoti e tutto ciò che sappiamo si trova sulle pareti e sui filamenti che li separano. Questo documento ha esaminato gli aloni di materia oscura nei vuoti cosmici e ha essenzialmente scoperto che non ce n'erano. In altre parole, hanno scoperto che gli aloni della materia oscura nei vuoti cosmici hanno galassie ospiti altrettanto spesso degli aloni della materia oscura al di fuori dei vuoti cosmici (vale a dire, quasi sempre).

[1]: Per essere assolutamente pedante, non dubiterei che ci siano alcune particelle di materia oscura che sfrecciano nello spazio intergalattico. Ma sarei sorpreso se la sua densità superasse la densità (già scadente) della materia ordinaria nell'IGM.

Fammi vedere se posso rispondere almeno in parte.

1. Sì, c'è materia oscura tra le galassie. Ciò è dimostrato dal fatto che nei gruppi e ammassi di galassie, hai bisogno di più materia oscura di quella che si trova nelle galassie stesse per spiegare cosa sta succedendo: in termini di perché i gruppi o ammassi sono legati gravitazionalmente nonostante le velocità estreme del galassie all'interno dei gruppi / ammassi; perché il gas che emette raggi X nei cluster è così caldo e ad alta pressione e tuttavia ancora confinato al cluster; e per spiegare la lente gravitazionale delle galassie di fondo da parte dei cluster. (Supportato anche da osservazioni di elementi come l'effetto Sunyaev-Zeldovich nei cluster.)

   (In effetti, la più antica prova della materia oscura era la velocità estremamente elevata delle galassie all'interno dei cluster misurata da Fritz Zwicky negli anni Trenta. Questa è anche una delle modalità di fallimento della Dinamica Newtoniana modificata come alternativa alla materia oscura: anche se pensi di poter sbarazzarti della materia oscura all'interno delle galassie, finisci comunque per aver bisogno della materia oscura all'interno degli ammassi di galassie, oltre alle galassie stesse.)

   E, naturalmente, i modelli cosmologici indicano che la materia oscura rappresenta circa il 25% della densità critica dell'universo. Al fine di avere che la materia oscura molto, si hanno di avere più materia oscura di quello che c'è dentro le singole galassie.

2. "Se c'è della materia oscura tra le galassie. Sappiamo o crediamo: qual è il rapporto tra la materia oscura là fuori?" Penso che il modo più semplice per rispondere a questo sarebbe prendere il rapporto materia oscura / materia barionica per l'intero universo, come determinato dalle attuali osservazioni e modelli cosmologici. Questo dà un rapporto di circa 5: 1.

3. "Le galassie esistono nei filamenti e nei muri. La materia oscura fa questo? Oppure è uniformemente diffusa?" Sì, la materia oscura fa questo. La ragione per cui vediamo galassie in filamenti, ammassi e pareti è perché la materia oscura si è aggregata gravitazionalmente in quelle strutture; su questa scala, le galassie sono praticamente alla guida, seguendo l'attrazione gravitazionale di ciò che la materia oscura sta facendo. Il motivo delle galassie esistenti in filamenti è dovuto alla distribuzione irregolare della densità della materia normale e oscura in tutto l'universo. Una overdensity porta al collasso della materia per formare (ad esempio) una galassia, ma la overdensity può essere asimmetrica. Ciò porta al collasso che si verifica più velocemente in una direzione particolare, causando la formazione di galassie nei filamenti (vedi ad esquesto documento di sintesi per una panoramica).

   Questa pagina contiene immagini di una simulazione cosmologica su larga scala (la Millennium Simulation). La maggior parte delle immagini che mostrano la struttura filamentosa su scale diverse mostrano solo la materia oscura .