Можно ли найти темную материю в форме планет, галактик и т. д.?

Планеты и звезды, нет. Шаровые скопления и галактики, да.

Мелкие весы

Чтобы сконденсироваться в такие относительно компактные объекты, как планеты, звезды и даже более рассеянные звездообразующие облака, частицы должны иметь возможность рассеивать свою энергию. Если они этого не делают, их скорости не позволяют им что-либо формировать.

«Нормальные» частицы, т. е. атомы, делают это, сталкиваясь. Когда атомы сталкиваются, они возбуждаются, а когда они гасят возбуждение, они испускают излучение, которое покидает систему, унося с собой энергию. Таким образом, ансамбль частиц может релаксировать в менее энергичную систему, в конечном итоге сконденсировавшись, например, в звезду. Кроме того, столкновения заставляют более энергичные частицы отдавать энергию менее энергичным, в результате чего ансамбль достигает термодинамического равновесия , то есть все частицы в среднем имеют одинаковую энергию.

Темная материя по определению не может сталкиваться и излучать, и, следовательно, в таких малых масштабах, как звезды и планеты, частицы, попадающие в потенциальную яму с заданной энергией, сохранят эту энергию. Таким образом, они будут ускоряться к центру, затем замедляться после наибольшего приближения к центру и, наконец, покидать систему с той же энергией, что и раньше (если она изначально не была связана). Это делает невозможным формирование таких малых объектов из бесстолкновительной материи.

Крупные весы

Однако в масштабах галактик различные механизмы релаксации позволяют темной материи формировать структуру. Это причина того, что в чистых симуляциях Вселенной N тел, таких как симуляция тысячелетия , вы увидите галактики. Размеры этих структур зависят от разрешения, но измеряются миллионами солнечных масс.

К механизмам релаксации относятся:

Это похоже на свертывание рукавов галактики, но в фазовом, а не в реальном пространстве.

Это происходит, когда частицы подходят так близко, что их траектории расходятся экспоненциально.

Два перечисленных выше механизма предполагают постоянный гравитационный потенциал$\Phi$, но по мере расслабления систем$\Phi$изменяется, вызывая дополнительный процесс релаксации. Например, более массивные частицы имеют тенденцию передавать больше энергии своим более легким соседям и поэтому становятся более тесно связанными, опускаясь к центру гравитационного потенциала. Этот эффект известен как массовая сегрегация и особенно важен в эволюции шаровых звездных скоплений.

Для возмущения/волны со скоростью$v_p$, если частица приходит с$v\gg v_p$, она догонит волну, сначала набирая энергию при падении в потенциал, но позже теряя такое же количество энергии, когда снова поднимается вверх. То же самое справедливо и для частиц с$v\ll v_p$которые настигает волна. Однако частицы с$v\sim v_p$(т. е. близкие к резонансу с волной) могут испытать чистый прирост или потерю энергии. Рассмотрим частицу с$v$немного больше, чем$v_p$. В зависимости от своей фазы при взаимодействии с волной она будет либо ускоряться и удаляться от резонанса, либо замедляться и приближаться к резонансу. Последние более эффективно взаимодействуют с волной (т.е. тормозятся в течение более длительного времени), поэтому в среднем будет иметь место результирующая передача энергии от частиц с$v \gtrsim v_p$к волне. Обратное верно для частиц с$v$немного меньше, чем$v_p$

Вы можете больше узнать об этих механизмах в книге Мо, Босха и Уайта « Формирование и эволюция галактик » .