Bullet Cluster и MOND

ΛCDM не входит в Bullet Cluster. У нас есть следующая бухгалтерия:

• Мы можем измерить массу горячей внутрикластерной среды. Этот газ имеет температуру в миллионы кельвинов и поэтому предсказуемо светится в рентгеновских лучах. Измеряя рентгеновское излучение, мы знаем, сколько там газа. Назовите это$M_\mathrm{gas}$.
• Мы можем измерить массу звезд в галактиках. Это делается путем измерения общего светового потока и использования наших моделей зависимости яркости звезд от массы. Назовите это$M_\mathrm{stars}$. Примечание$M_\mathrm{stars} \ll M_\mathrm{gas}$.
• Мы можем измерить общую гравитационную массу с помощью линзы. Чем больше искривляется свет, тем больше вещей должно искривлять свет. Назовите это$M_\mathrm{tot}$.

Это приводит к следующей проблеме:$M_\mathrm{gas} + M_\mathrm{stars} \ll M_\mathrm{tot}$. На самом деле есть только два решения проблемы:

1. По крайней мере, одно из наших измерений массы дало сбой. Это включает в себя наличие неверных данных, а также наличие неверных теорий для интерпретации данных и извлечения массы.
2. Есть еще одна категория массы, которую мы не учли.

Вариант (1) — это то, что бросается в глаза при первом появлении странного измерения. Но данные много раз проверялись, и мы не используем ничего сверхъестественного, чтобы достучаться до масс. В частности, ΛCDM не участвует в расчетах. Это оставляет (2).

Тогда единственный вопрос: «Являются ли отсутствующие массы нормальными барионами, которые случайно трудно обнаружить, или это небарионный материал (который, таким образом, естественно, трудно обнаружить с помощью электромагнитного поля)?» Настоящей силой Bullet Cluster являются следующие дополнительные наблюдения:

• Учтенная масса газа$M_\mathrm{gas}$соответствует жидкости, которая испытывает давление. В частности, даже когда галактики проходят сквозь друг друга при столкновении скоплений, окружающие их газовые облака будут сталкиваться и останавливаться посередине.
• Распределение$M_\mathrm{tot}$отличается от того, что$M_\mathrm{gas}$. В частности, кажется, что он совпадает с$M_\mathrm{stars}$. То есть недостающая масса ведет себя как жидкость без давления.

Такое большое количество барионов в газовой фазе не могло быть без давления; они столкнутся друг с другом, когда столкнутся кластеры. В этих масштабах звезды представляют собой барионы без давления (опять же, звезды по существу никогда не сталкиваются друг с другом, даже когда сталкиваются галактики), но мы не можем придумать никакого способа, чтобы столько массы было связано со звездами без значительного увеличения скорости галактик. светимости. Как только вы соберете материал на звезду в одном месте, он будет сиять, как звезда.

С другой стороны, мы могли бы сказать, что в системе есть какая-то небарионная материя, масса которой примерно в пять раз превышает массу наблюдаемых барионов. Оказывается, именно столько небарионной материи требуется в ΛCDM для объяснения BAO и спектра мощности реликтового излучения. Именно замечательное соответствие космологической модели ΛCDM с независимыми наблюдениями скопления Пули (а также кривыми вращения галактик и кинематикой галактик в скоплениях) заставляет многих верить в существование темной материи.

В первой статье, которую я просмотрел ( Парафиц и др., 2012 ), объясняется, что масса горячего газа определяется на основе рентгеновских наблюдений. Поток рентгеновского излучения от оптически тонкого газа зависит от квадрата плотности газа, умноженного на его объем [в частности:$f_x = A(T) n_{e}^2 V/4\pi d^2$, где$A(T)$- известная функция радиационного охлаждения и$T$исходит из рентгеновского спектра,$V$громкость,$n_e$плотность электронов и$d$расстояние.] - если вы можете измерить$f_x$затем оцените объем, вы получите плотность, а также массу газа. Некоторые детали анализа рентгеновских наблюдений скопления Пуля с помощью телескопа Чандра можно найти в работе Close et al. (2006) , включая то, как они моделируют геометрию различных компонентов. Они заключают, что их оценка массы газа верна до 10 процентов.

Массы отдельных галактик оцениваются путем моделирования их светимостей с помощью масштабных соотношений Фабера-Джексона или (для спиралей) Талли-Фишера (см. также здесь ). Они дают общую массу галактики, которая включает темную материю. Чтобы оценить только барионную массу, можно просто использовать отношение массы к светимости для звездного вещества в предположении, что большая часть барионного вещества состоит из звезд (можно сделать небольшую поправку на газ, пыль и т. д.).

Именно на этом основании утверждается, что газ, испускающий рентгеновские лучи, содержит такое же количество массы, которое связано с отдельными галактиками. Если эти галактики имеют гало небарионной темной материи, которые преобладают в их общей массе (что кажется вероятным, если только они не имеют чрезвычайно низкого отношения светимости к массе), то я думаю, что это приводит к утверждению, что около 90 процентов барионной массы находится в X -газ, испускающий лучи. Если кто-то скептически относится к темной материи и не доверяет масштабным соотношениям FJ и TF, то, я думаю, вы просто берете светимость отдельных галактик, конвертируете ее в звездную массу, и вы получите более или менее такое же количество.

Для скопления Пуля гравитационное линзирование затем показывает, что галактики плюс горячий газ составляют только 20 процентов от общей массы скопления (9 процентов в горячем газе, 11 процентов в галактиках) и, таким образом, 89 процентов общей массы составляют не в галактиках, и что лишь небольшая часть этого находится в форме горячего барионного газа.

Это предлагает убедительные доказательства того, что неучтенная масса (при условии, что сценарий типа отсутствующей массы) ведет себя больше как звезды (т. е. как газ без столкновений), чем как учитываемые газ и пыль (которые проявляют определенную степень вязкости).

С другой стороны, если вы пытаетесь разработать теорию, подобную МОНД, вам остается пытаться утверждать, что поправки к поведению гравитации отличаются для звезд, чем для вязкого газа и пыли, несмотря на два распределения, имеющие примерно одинаковый линейный масштаб.

Я не думаю, что теории, не связанные с темной материей, полностью опровергнуты одним этим наблюдением, но естественность (что-то, по моему мнению, побуждает по крайней мере часть интереса избегать темной материи) начинает выглядеть немного натянутой.

MOND очень хорошо работает со спиральными галактиками ($10^{10}-10^{12} M_0)$при расчете с измеренной тангенциальной скоростью как функцией радиуса. MOND имеет одну константу$a_0=2 \times 10^{-8}{{cm}\over{sec^2}}$используется для всех галактик и использует измеренное значение бариона внутри радиуса, для которого рассчитывается скорость. MOND дает барионное соотношение Талли-Фишера, которое жутко согласуется с зависимостью скорости уплощения от барионной массы.

MOND также объясняет скорость дисперсии звезд, наблюдаемых в карликовых галактиках ($10^6 - 10^9 M_0$), в эллиптических галактиках и, возможно, в изолированных шаровых скоплениях ($10^3-10^5 M_0$).

Говорят, что МОНД терпит неудачу в скоплениях галактик ($10^{13}-10^{15}M_0$), потому что он предсказывает невидимую недостающую массу, которая примерно равна видимой массе скопления. Видимая масса, измеренная рентгеновскими лучами, составляет ~ 90% газа и света ~ 10% звезд. Ньютон предсказывает недостающую массу («Темную материю»), которая примерно в 100 раз превышает видимую массу скопления.

Кроме того, контуры массы Скопления Пуля, полученные в результате слабого гравитационного линзирования фоновых галактик, охватывают область без видимой массы (за исключением звезд, масса которых составляет меньшинство видимой). При столкновении газ остановился. Очевидно, что в скоплении пули есть невзаимодействующая «темная материя».

Однако, если вы заполните фазовое пространство галактического скопления (до ~мегапарсека, 1000 км/сек) нейтрино с ферми-дираковским распределением (3 поколения) и все нейтрино имеют массу ~1-2 эВ, то это будет объяснить, что MOND предсказал невидимую недостающую массу. Это ниже текущего измеренного предела массы электронного нейтрино в 2,2 эВ. KATRIN вскоре начнет более чувствительное измерение массы до 0,2 эВ. Измерения реликтового излучения с парадигмой DM сильно не благоприятствуют такой большой массе нейтрино. Есть вероятность, что результаты KATRIN будут впечатляющими.

Вы также указываете, что скорость столкновения двух скоплений очень велика (~3000 км/сек, как определено по наблюдаемому газовому удару). Если вы просто позволите двум покоящимся скоплениям (со всей их ньютоновской DM) упасть вместе под действием ньютоновской гравитации из бесконечности, они наберут скорость столкновения <2000 км/сек. Таким образом, начальные газовые облака, сформировавшие скопления, должны стартовать с большой скоростью, направленные друг на друга. Это маловероятное событие, которое заставит$\Lambda CDM$становится все более маловероятным, если обнаруживаются пары скоплений с более высокой скоростью столкновения. Силовой закон МОНД, который сильнее ньютоновского на больших радиусах, предсказывает большую скорость столкновения.