Как темная материя образует комки?

Преобладающей теорией темной материи является гипотеза холодной темной материи (CDM). Этой гипотезе отдается предпочтение, поскольку предполагается, что частицы темной материи нерелятивистские, т.е. медленно движущиеся. Поскольку они движутся медленно, они могут по существу вращаться внутри и вокруг исходных небольших флуктуаций плотности, что делает эти небольшие флуктуации плотности стабильными. Эти небольшие флуктуации плотности могут слипаться в более плотные скопления из-за гравитационного взаимодействия трех тел. Трехчастичное взаимодействие небольших сгустков может привести к тому, что один из сгустков будет выброшен с более высокой скоростью, в то время как два других сгустка замедлятся и станут более гравитационно связанными.

Однако барионное вещество может слипаться более эффективно, чем CDM, поскольку электромагнитные взаимодействия позволяют барионному веществу охлаждаться более эффективно, чем сгустки CDM. Вот почему преобладает теория, согласно которой ДМ образует ореолы, более растянутые, чем сгустки барионного вещества. Таким образом, видимая галактика будет иметь более протяженное гало DM, которое простирается далеко за пределы видимых звезд галактики. Гало DM также будет более сферическим, чем сплющенный галактический диск.

Это правда, что большинство моделей DM предполагают, что частицы DM действительно имеют слабые взаимодействия, но эти взаимодействия не требуются моделью CDM. Однако эти слабые взаимодействия необходимы, если любой из экспериментов по обнаружению темной материи должен быть успешным.

[Примечание: После дополнительных исследований я обнаружил, что мой первоначальный ответ был неправильным. Теперь я думаю, что этот ответ правильный. Прости за это.]

На самом деле три и более тел при чисто гравитационном взаимодействии могут образовывать скопления и сгустки, концентрируя одни частицы и выбрасывая другие, как было сказано в предыдущем ответе. Астрономы обнаружили, что это происходит довольно быстро. Они называют это «насильственной релаксацией». Google "насильственное расслабление" для получения дополнительной информации.

Моя проблема заключается в масштабе времени явления. Было высказано предположение, что универсальная сеть нитей и концентрированных сгустков темной материи является каркасом, на котором обычная материя сконденсировалась, чтобы сформировать наши современные скопления галактик. Если это так, то представляется разумным существование какого-то быстрого механизма для его образования на ранних стадиях развития Вселенной. Имея только гравитацию, которая стягивает его вместе, и такие механизмы, как взаимодействие трех тел, выбрасывающее одно из тел, позволяющее слиться в глыбы более высокой плотности, как сеть темной материи смогла сформироваться первой? Обычная материя имеет те же гравитационные средства агрегации плюс электромагнитные взаимодействия для уменьшения углового момента. Почему обычная материя не сконденсировалась первой?

Я предполагаю, что темная материя теряет энергию за счет гравитационных взаимодействий с обычной материей, которая теряет энергию в результате радиационных процессов. Поскольку обычная материя теряет энергию из-за излучения, что позволяет ей слипаться под действием гравитации, темная материя слипается вместе с ней, теряя энергию из-за охлаждения обычной материи.

Обычно предполагается, что холодная темная материя взаимодействует только под действием гравитации, и компьютерное моделирование выполняется с N частицами, чтобы увидеть, как они расположились бы в масштабах галактик или шаровых скоплений. Чтобы слипаться под действием гравитации, частицы темной материи должны потерять угловой момент, это достигается за счет взаимодействия трех тел, когда пара частиц «пинает» другую частицу, чтобы иметь более высокий угловой момент, в то время как пара теряет часть своего углового момента. и приблизиться по орбите к центру масс. Затем исследователи темной материи находят профиль темной материи из симуляций, обычно находя пикообразный профиль плотности в центре (1/r)^n (n<-1, я часто видел n=1,7, но это зависит от детали моделирования). Темная материя (особенно суперсимметричный тип LSP) также может самоаннигилировать, из точечных слабых взаимодействий, когда две частицы перекрываются, это редкий процесс, но он приводит к наблюдаемым гамма-лучам высокой энергии, которые будут иметь (1 / r) ^ 2n-подобный профиль. Исследователи темной материи в настоящее время расходятся во мнениях относительно того, наблюдались ли такие гамма-лучи (например, спутником Ферми и телескопами HESS), а также обеспокоены тем, хорошо ли описывается HALO темной материи вокруг галактик профилями в масштабе (1/r)^n. Если исследователи не увидят что-то вроде гамма-излучения (1/r)^-2,5 из галактического центра или чего-то близкого, им, возможно, придется найти альтернативные модели темной материи. Исследователи темной материи в настоящее время расходятся во мнениях относительно того, наблюдались ли такие гамма-лучи (например, спутником Ферми и телескопами HESS), а также обеспокоены тем, хорошо ли описывается HALO темной материи вокруг галактик профилями в масштабе (1/r)^n. Если исследователи не увидят что-то вроде гамма-излучения (1/r)^-2,5 из галактического центра или чего-то близкого, им, возможно, придется найти альтернативные модели темной материи. Исследователи темной материи в настоящее время расходятся во мнениях относительно того, наблюдались ли такие гамма-лучи (например, спутником Ферми и телескопами HESS), а также обеспокоены тем, хорошо ли описывается HALO темной материи вокруг галактик профилями в масштабе (1/r)^n. Если исследователи не увидят что-то вроде гамма-излучения (1/r)^-2,5 из галактического центра или чего-то близкого, им, возможно, придется найти альтернативные модели темной материи.