Как темная материя может коллапсировать без столкновений или радиации?

Я понимаю, что темная материя не коллапсирует в плотные объекты, такие как звезды, по-видимому, потому, что она не взаимодействует или не излучает и, следовательно, не может терять энергию при коллапсе. Но почему же тогда он образует галактические гало? Разве это не пример гравитационного коллапса?

Спасибо за хороший вопрос, он очень своевременный, ответ на него был полезен в моих усилиях по подготовке к квалификационному/всестороннему/кандидатскому экзамену на степень доктора философии, который состоится на следующей неделе :)

Ответы (1)

Ответ приходит из теоремы вириала, которую можно вывести из уравнений Джинса , которые являются эквивалентом уравнений динамики жидкости Эйлера для бесстолкновительных частиц (т. е. темной материи). Кстати, теорема вириала справедлива и для идеальной жидкости. Вывод см. в Mo, van den Bosch & White 2010 (или, я уверен, во многих других текстах). Теорема такова:

1 2 г 2 я г т 2 знак равно 2 К + Вт + Σ

я это момент инерции, К - кинетическая энергия системы, Σ работа, совершаемая любым внешним давлением и Вт — гравитационная энергия системы (если внешние массы можно не учитывать при расчете потенциала).

Если Σ пренебрежимо мала (как при коллапсе ореолов ТМ), то система, имеющая 2 К < − Вт будет иметь динамическую эволюцию, которая приведет к увеличению я , или, другими словами, система сжимается. Схлопывание останавливается, и получается квазистабильная структура, когда 2 К ∼ − Вт .

Подводя итог в несколько менее технических терминах, отсутствие диссипации (например, радиационного охлаждения или столкновений между частицами) не означает, что коллапс невозможен. Динамика бесстолкновительной системы описывается уравнениями Джинса, и эти уравнения допускают коллапс до тех пор, пока не произойдет вириализация.

Разница с коллапсом газа в звезду заключается в том, что излучение может уносить энергию, поэтому система может рассеиваться. К и продолжают разрушаться дольше. В случае звезды коллапс продолжается до тех пор, пока поддержка давлением не станет достаточной, чтобы остановить его.

Вы должны знать - это вы были на arXIv этим утром?
@RobJeffries Да, это был я :) Мир тесен! Моей реакцией действительно было: «О, я действительно должен это знать!», хотя в итоге мне пришлось потянуться за книгой.
Хороший ответ. Просто хотел добавить, что существуют дополнительные процессы релаксации, которые помогают гало разрушиться. Например, некоторые частицы выбрасываются из системы за счет уменьшения энергии других частиц. Кроме того, существует затухание Ландау, когда частицы, которые обгоняют волну плотности (из-за возмущения системы, например, в случае слияния) со скоростью, сравнимой со скоростью волны, будут иметь чистую передачу энергии волне.
«Динамика бесстолкновительной системы описывается уравнениями Джинса, и эти уравнения допускают коллапс до тех пор, пока не произойдет вириализация». Просто чтобы уточнить вашу формулировку, вы говорите здесь, что, когда К < − 2 Вт , система подчиняется уравнениям Джинса, но не подчиняется теореме вириала, и что «вириализация происходит», когда К знак равно − 2 Вт ? Поэтому ваш ответ совместим с выводом Джона Баэза , в котором он предполагает, что шар идеального газа подчиняется теореме вириала, и показывает, что уменьшение объема всегда будет означать уменьшение энтропии?
@Hypnosifl Я не понимаю, о чем ты спрашиваешь... Я утверждаю, что когда К < − 2 Вт система подчиняется как уравнениям Джинса, так и теореме вириала, и именно по теореме вириала мы можем легче всего увидеть, что DM должна коллапсировать. Я согласен, что «вириализация происходит», когда К знак равно − 2 Вт , но это отличается от соблюдения теоремы вириала, которой также следуют, когда К ≠ − 2 Вт , и стимулирует эволюцию я пока не произойдет вириализация.
Обратите внимание, что я поставил множитель 2 не в том месте - исправил это!
Понял, я ошибочно предположил, что «вириализованный» был синонимом соблюдения теоремы вириала. Но, надеюсь, я прав в понимании того, что вывод Баэза не исключает коллапс темной материи, потому что его анализ предполагал, что облако частиц было вириализовано, тогда как вскоре после Большого взрыва было много областей темной материи, где 2 К < − Вт так что эти области не были вириализованы, и уравнения Джинса предсказывали, что они будут иметь тенденцию к коллапсу до тех пор, пока 2 К знак равно Вт и они стали вириализованными.
@Hypnosif Да, по крайней мере, я так понимаю.
Применимо ли это к безмассовым частицам? Утверждает ли это, что плотность фотонов космического микроволнового фона больше вблизи галактик?
@PPenguin нет и нет.
Где ломается вириальный аргумент? Тензор энергии-импульса для безмассовых частиц не равен нулю, поэтому он по-прежнему взаимодействует через гравитацию. Почему этого гравитационного взаимодействия недостаточно, если его достаточно для темной материи? Почему газ фотонов не коллапсирует в гало, если темная материя может коллапсировать в гало только за счет гравитационных взаимодействий?
@PPenguin Ну, формулировка нерелятивистская, поэтому я ожидаю, что это будет проблемой для начала. Затем, я полагаю, довольно сложно создать фотонный газ с 2 К < − Вт , я подозреваю, что вы обычно 2 К >> − Вт , и в этом случае система расширится, а фотоны разлетятся.
Что вы имеете в виду под "разлететься"? Разлететься на что? Я думал, вы описываете Вселенную, заполненную бесстолкновительным газом частиц, взаимодействующих с гравитацией и имеющих небольшие начальные колебания плотности. В Википедии звучит так, как будто включая релятивистские частицы, теорема вириала просто изменена с изменением отношения 2<T>/<V> от 1 до 2, где 2 находится в пределе ультрарелятивистских (нейтрино) или безмассовых частиц.
перемещен в отдельный вопрос: physics.stackexchange.com/questions/327992/…
Почему гравитационная энергия отрицательна? Это свидетельствует о коллапсе?
@ Рик, ты имеешь в виду -W? Существует обычное соглашение, согласно которому гравитационный потенциал приближается к 0 по мере того, как расстояние стремится к бесконечности, и он должен уменьшаться при более близких расстояниях, чтобы понятие энергии имело смысл. Вы можете выбрать любую константу в бесконечности, поскольку физика заботится только о различиях в потенциале (а не о его абсолютной нормализации), но 0 удобен во многих ситуациях, таких как обсуждение выше.
Как темная материя может коллапсировать без столкновений или радиации?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v