Холодная тёмная материя

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Холодная тёмная материя (англ. Cold dark matter, CDM) — предполагаемый вид тёмной материи, частицы которой движутся медленно по сравнению со скоростью света (понятие холодный в CDM-модели) и слабо взаимодействуют с обычным веществом и электромагнитным излучением (понятие тёмный в CDM-модели). Считается, что около 84.54% вещества во Вселенной является тёмной материей, и лишь малая доля представляет собой обычное барионное вещество, составляющее звёзды, планеты и живые организмы.

История[править | править код]

В 1982 году три независимые группы космологов опубликовали статьи, посвящённые теории холодной тёмной материи: Джеймс Пиблс,[1] Джон Бонд, Алекс Салаи; Майкл Тернер;[2] и Джордж Блюменталь, Х. Пагельс и Джоэл Примак.[3] Значительную обзорную статью, посвящённую подробностям теории, в 1984 году написали Блюменталь, Сандра Фабер, Примак и Мартин Рис.[4]

Формирование структур[править | править код]

В теории холодной тёмной материи рост структур происходит иерархически, при этом объекты на малых масштабах первыми коллапсируют под действием самогравитации и сливаются в рамках непрерывной иерархической структуры с образованием более крупных и массивных структур. В рамках парадигмы горячей тёмной материи, популярной в начале 1980-х годов, структуры не росли иерархически, но образовывались при фрагментации, при этом наиболее крупные сверхскопления образовывались первыми в плоских структурах и затем разделялись на меньшие части, подобные нашей галактике Млечный Путь. Выводы, получаемые в рамках парадигмы холодной тёмной материи, находятся в хорошем согласии с наблюдениями крупномасштабных структур во Вселенной.

Лямбда-CDM модель[править | править код]

С конца 1980-х — 1990-х годов большинство космологов предпочитают теорию холодной тёмной материи (в основном лямбда-CDM модель) для описания того, каким образом Вселенная из начального относительно однородного состояния на раннем этапе развития (как показывает распределение космического микроволнового излучения) перешла в состояние современного клочковатового распределения галактик и скоплений галактик. В теории холодной тёмной материи роль карликовых галактик является существенно важной, поскольку их считают блоками, из которых образуются более крупные структуры, созданными маломасштабными флуктуациями плотности в ранней Вселенной.[5]

Состав[править | править код]

Тёмная материя определяется по гравитационному взаимодействию с обычным веществом и излучением. Таким образом, сложно определить, из каких компонентов состоит холодная тёмная материя. Объекты-кандидаты можно разделить на три группы.

  • Аксионы являются очень лёгкими частицами с особым типом взаимодействия друг с другом.[6][7] Аксионы обладают теоретическим преимуществом, поскольку их существование может решить одну из проблем квантовой хромодинамики, но пока эти частицы обнаружены не были.
  • WIMP: тёмная материя может состоять из слабо взаимодействующих массивных частиц. На данный момент частицы с необходимыми свойствами открыты не были, но многие расширения стандартной модели предсказывают существование таких частиц. Поиск вимпов включает попытки прямого обнаружения высокочувствительными детекторами, а также попытки их создания на ускорителях частиц. Вимпы обычно рассматривают как наиболее вероятные кандидаты в составляющие тёмной материи.[9][11][13] Эксперимент DAMA/NaI и последовавший за ним эксперимент DAMA/LIBRA проводились для попыток прямого обнаружения частиц тёмной материи, проходящих через Землю, однако многие учёные скептически относятся к экспериментам, поскольку результаты похожих проектов не согласуются с результатами DAMA.

Сложности[править | править код]

Существует несколько расхождений между предсказаниями модели холодной тёмной материи и наблюдениями галактик и их скоплений.

  • Проблема пика плотности в гало (англ. the cuspy halo problem): распределение плотности тёмной материи в моделировании с участием холодной тёмной материи имеет гораздо более выраженный пик в центральной части по сравнению с наблюдаемым распределением, полученным при анализе кривых вращения галактик.[14]
  • Проблема отсутствующих спутников (англ. the missing satellites problem): моделирование в рамках теории холодной тёмной материи предсказывает гораздо большее количество карликовых галактик, чем наблюдается вокруг галактик типа Млечного Пути.[15]
  • Проблема диска спутников: карликовые галактики вокруг Млечного Пути и Туманности Андромеды по наблюдательным данным обращаются в пределах тонких плоских структур, но моделирование показывает, что орбиты спутников должны быть ориентированы случайным образом.[16]
  • Проблема морфологии галактик: если галактики растут иерархически, то для возникновения массивных галактик требуется много слияний. Крупные слияния создают классические балджи. Но 80% наблюдаемых галактик не имеют балджа, при этом существует много гигантских дисковых галактик без балджа.[17] Доля галактик без балджа примерно постоянна в последние 8 млрд лет.[18]

Для некоторых проблем были предложены решения, но пока остаётся непонятным, могут ли проблемы быть решены без отбрасывания парадигмы холодной тёмной материи.[19]

Примечания[править | править код]

  1. Peebles, P. J. E. (December 1982). “Large-scale background temperature and mass fluctuations due to scale-invariant primeval perturbations”. The Astrophysical Journal. 263: L1. Bibcode:1982ApJ...263L...1P. DOI:10.1086/183911. Символ переноса строки в |title= на позиции №62 (справка)
  2. “Formation of galaxies in a gravitino-dominated universe”. Physical Review Letters. 48: 1636—1639. Bibcode:1982PhRvL..48.1636B. DOI:10.1103/PhysRevLett.48.1636.
  3. Blumenthal, George R.; Pagels, Heinz; Primack, Joel R. (2 September 1982). “Galaxy formation by dissipationless particles heavier than neutrinos”. Nature. 299 (5878): 37—38. Bibcode:1982Natur.299...37B. DOI:10.1038/299037a0. Символ переноса строки в |title= на позиции №60 (справка)
  4. Blumenthal, G. R.; Faber, S. M.; Primack, J. R.; Rees,, M. J. (1984). “Formation of galaxies and large-scale structure with cold dark matter”. Nature. 311 (517): 517—525. Bibcode:1984Natur.311..517B. DOI:10.1038/311517a0. Символ переноса строки в |title= на позиции №54 (справка)
  5. Battinelli, P.; S. Demers (2005-10-06). “The C star population of DDO 190: 1. Introduction” (PDF). Astronomy and Astrophysics. Astronomy & Astrophysics. 447: 1. Bibcode:2006A&A...447..473B. DOI:10.1051/0004-6361:20052829. Архивировано из оригинала 2005-10-06. Проверено 2012-08-19. Dwarf galaxies play a crucial role in the CDM scenario for galaxy formation, having been suggested to be the natural building blocks from which larger structures are built up by merging processes. In this scenario dwarf galaxies are formed from small-scale density fluctuations in the primeval Universe. Символ переноса строки в |quote= на позиции №56 (справка)
  6. e.g. M. Turner. Axions 2010 Workshop, U. Florida, Gainesville, USA.
  7. e.g. Pierre Sikivie. Axion Cosmology, Lect. Notes Phys. 741, 19-50.
  8. Carr, B. J.; et al. (May 2010). “New cosmological constraints on primordial black holes”. Physical Review D. 81 (10): 104019. arXiv:0912.5297. Bibcode:2010PhRvD..81j4019C. DOI:10.1103/PhysRevD.81.104019. Символ переноса строки в |title= на позиции №18 (справка)
  9. 1 2 {{cite arXiv|last=Peter|first=A. H. G.| title=Dark Matter: A Brief Review|eprint=1201.3942 |year=2012}}
  10. Bertone, Gianfranco; Hooper, Dan; Silk, Joseph (January 2005). “Particle dark matter: evidence, candidates and constraints”. Physics Reports. 405 (5—6): 279—390. arXiv:hep-ph/0404175. Bibcode:2005PhR...405..279B. DOI:10.1016/j.physrep.2004.08.031. Символ переноса строки в |title= на позиции №48 (справка); Символ переноса строки в |date= на позиции №9 (справка); Проверьте дату в |date= (справка на английском)
  11. 1 2 Garrett, Katherine; Dūda, Gintaras. “Dark Matter: A Primer”. Advances in Astronomy. 2011: 968283. arXiv:1006.2483. Bibcode:2011AdAst2011E...8G. DOI:10.1155/2011/968283. Символ переноса строки в |title= на позиции №16 (справка). p. 3: "MACHOs can only account for a very small percentage of the nonluminous mass in our galaxy, revealing that most dark matter cannot be strongly concentrated or exist in the form of baryonic astrophysical objects. Although microlensing surveys rule out baryonic objects like brown dwarfs, black holes, and neutron stars in our galactic halo, can other forms of baryonic matter make up the bulk of dark matter? The answer, surprisingly, is no..."
  12. Gianfranco Bertone, "The moment of truth for WIMP dark matter," Nature 468, 389–393 (18 November 2010)
  13. 1 2 {{cite journal | last1 = Olive | first1 = Keith A | year = 2003 | title = TASI Lectures on Dark Matter | url = https://arxiv.org/abs/astro-ph/0301505 | journal = Physics | volume = 54 | issue = | page = 21 }}
  14. Gentile, G.; P., Salucci (2004). “The cored distribution of dark matter in spiral galaxies”. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 351: 903—922. arXiv:astro-ph/0403154. Bibcode:2004MNRAS.351..903G. DOI:10.1111/j.1365-2966.2004.07836.x.
  15. Klypin, Anatoly; Kravtsov, Andrey V.; Valenzuela, Octavio; Prada, Francisco (1999). “Where Are the Missing Galactic Satellites?”. Astrophysical Journal. 522: 82—92. arXiv:astro-ph/9901240. Bibcode:1999ApJ...522...82K. DOI:10.1086/307643.
  16. Marcel Pawlowski et al., "Co-orbiting satellite galaxy structures are still in conflict with the distribution of primordial dwarf galaxies" MNRAS (2014) https://arxiv.org/abs/1406.1799
  17. Kormendy, J.; Drory, N.; Bender, R.; Cornell, M. E. (2010). “Bulgeless Giant Galaxies Challenge Our Picture of Galaxy Formation by Hierarchical Clustering”. The Astrophysical Journal. 723: 54—80. arXiv:1009.3015. Bibcode:2010ApJ...723...54K. DOI:10.1088/0004-637X/723/1/54.
  18. Sachdeva, S.; Saha, K. (2016). “Survival of Pure Disk Galaxies over the Last 8 Billion Years”. The Astrophysical Journal Letters. 820: L4. arXiv:1602.08942. Bibcode:2016ApJ...820L...4S. DOI:10.3847/2041-8205/820/1/L4.
  19. Kroupa, P.; Famaey, B.; de Boer, Klaas S.; Dabringhausen, Joerg; Pawlowski, Marcel; Boily, Christian; Jerjen, Helmut; Forbes, Duncan; Hensler, Gerhard (2010). “Local-Group tests of dark-matter Concordance Cosmology: Towards a new paradigm for structure formation”. Astronomy and Astrophysics. 523: 32—54. arXiv:1006.1647. Bibcode:2010A&A...523A..32K. DOI:10.1051/0004-6361/201014892.