Находится ли большая часть материи в наблюдаемой Вселенной внутри галактик?

В этой новой статье рассматривается именно этот вопрос, хотя и с использованием моделирования.

Вот частичный анализ распределения материи во Вселенной, взятый из приведенной выше статьи:

• Темная материя составляет около 26% бюджета критической плотности энергии Вселенной, в то время как «барионная материя» (что на жаргоне означает «видимая материя» и включает в себя все барионы, а также лептоны) составляет около 4,8% критического значения ( измеряется по космическому микроволновому фону (CMB)). Поскольку мы достаточно уверены, что Вселенная плоская (или достаточно близка к ней), нынешняя критическая плотность точно соответствует нынешней полной плотности.
• При больших красных смещениях (расстояниях) плотность барионов можно оценить по наблюдениям за поглощением нейтральным водородом света квазара промежуточными газовыми облаками, называемыми Ly-$\alpha$лес на жаргоне. Оцененная таким образом плотность хорошо согласуется со значением CMB.
• При низком красном смещении оценки примерно на 30% меньше значения CMB; эти барионы «пропали без вести», но предположительно находятся в диффузной тепло-горячей межгалактической среде (WHIM), которую трудно обнаружить.
• В работе представлены результаты моделирования Illustris , обнаружившие, что в настоящее время:
  • 49% темной материи находится в коллапсирующих структурах, называемых ореолами, остальное — в нитях и пустотах.
  • 23% барионов находятся в гало (включая галактики и «окологалактическую среду»). Это число близко соответствует количеству видимой материи «в галактиках», о котором вы спрашивали.
  • Волокна содержат еще 45% темной материи и 46% барионов, поэтому в пустотах очень мало темной материи, около 6%. Возможно, в пустотах находится удивительно большое количество барионов (31%), большая часть которых была выброшена из гало/филаментов в результате «обратной связи», включая ветры AGB , взрывы сверхновой и обратную связь AGN . Модели с обратной связью все еще являются областью интенсивных исследований, поэтому эта цифра, возможно, немного сомнительна.

Я настоятельно рекомендую взглянуть на рисунки в статье, все они достаточно интуитивны; многие из них представляют собой изображения, показывающие, как распределяются различные компоненты материи. Другие показывают временную эволюцию распределений и то, как баланс материи распределяется между галактическими системами разного размера. Я включу сюда одну очень красивую фигуру из статьи:

На левой панели показано распределение темной материи, подобное фиолетовому графику моделирования тысячелетия , который вы показали в своем вопросе (хотя и для меньшей области). На средней панели показано распределение барионной материи, которое примерно соответствует темной материи. Вы можете увидеть множество «пузырей», надуваемых процессами обратной связи, выбрасывающими барионы из галактик в пустоты. Правая панель представляет собой повторение той же симуляции, но без звездообразования или какой-либо обратной связи в симуляции (барионы просто тяготеют и подчиняются гидродинамическим уравнениям). В этом случае барионы довольно точно повторяют распределение ТМ, но это все равно не совпадение 1:1, так как барионы подвержены гидродинамическим силам и гравитации, а ТМ только гравитирует.

Вот почему барионы (а значит, и галактики) называют «смещенными» трассерами структуры темной материи — корреляция, очевидно, сильная, но это не идеальная корреляция 1:1. Изучение скопления галактик носит довольно технический характер, но я попытаюсь здесь кратко подвести итоги. Измеримая величина, которую мы должны работать с распределением разделительных расстояний между парами галактик, называется двухточечной корреляционной функцией галактик.$\xi_{gg}(r)$. Затем это соответствует модели распределения галактик в гало темной материи: есть вклад от двух галактик, которые находятся в одном и том же родительском гало темной материи, и еще один вклад от пар, где каждый член находится в отдельном гало темной материи ( термины «один ореол» и «два ореола»). Это может быть связано с двухточечной корреляционной функцией ореолов.$\xi(r)$. В простейшем случае предполагается «линейный коэффициент смещения».$b_g$:

Конечно, это соотношение слишком простое (хотя это хорошее приближение в больших физических масштабах), поэтому для смещения принимают более сложную форму, чтобы попытаться добиться большего — и это все еще область активных исследований. Если вас интересуют технические детали, есть хороший краткий обзор в Mo, van den Bosch and White (2010), раздел 15.6.

Есть 4 основных фактора, влияющих на плотность массы движущегося вместе с нами участка того, что может быть большей Вселенной:

(1) Видимая барионная материя (включая облака барионной материи, которые могут быть видны только как тени, закрывающие галактики). По оценкам НАСА, 4,6% всей материи является барионной ( http://map.gsfc.nasa.gov/universe/uni_matter.html ).

(2) Темная материя (невидимая, но гравитационно взаимодействующая сама с собой и с барионной материей). По данным НАСА, темная материя составляет около 24% массы Вселенной.

(3) Релятивистские частицы (фотоны и нейтрино). Это ничтожная часть общей текущей массы Вселенной, но они давали гораздо больший вклад на ранних стадиях Вселенной.

(4) Темная энергия – около 71,4% массы, по данным НАСА.

Если наша Вселенная (или, по крайней мере, наше движущееся вместе с ней пятно) плоская, все эти вклады в сумме должны дать плотность, достаточную для того, чтобы Вселенная могла остановить свое расширение через бесконечное время, не схлопываясь сама в себя. Эту критическую плотность можно считать границей, которая меньше плотности, которая заставила бы Вселенную искривляться обратно в себя (закрытая Вселенная), и больше, чем плотность, которая позволила бы Вселенной искривляться от самой себя (открытая Вселенная).

Эту критическую плотность иногда представляют как отношение к 1. Вот ссылка на учет вкладов в общую плотность Вселенной: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/astro/denpar.html . Однако вы заметите, что ссылка на страницу отличается от оценки НАСА. Он требует 27% барионной и темной материи, 73% темной энергии; и его предполагаемое разделение между барионной и темной материей не согласуется с текущим консенсусом науки, как указывает Росс Милликен в своем комментарии ниже. Тем не менее, я связался с этой страницей GSU, потому что ее метод учета выражает критическую плотность Вселенной как 1, а все вклады как доли от 1. Оценка GSU на самом деле дает в сумме нечто немного большее, чем 1, то есть проблематично, поскольку это указывало бы на замкнутую Вселенную.

Проблема с плотностью, отклоняющейся от критической, заключается в том, что инфляция, теория, объясняющая крупномасштабную однородность нашей Вселенной, требует, чтобы наша Вселенная была плоской.

Согласно одной оценке критической плотности, она составляет около 9,47 * 10^-27 кг/м^3. Но мы осознаем только наше совместно движущееся пятно в том, что может быть большей Вселенной. Согласно Википедии ( https://en.wikipedia.org/wiki/Observable_universe ) объем нашего совместно движущегося участка составляет около 4 * 10^80 м^3. Эта оценка должна включать невидимый объем, который теоретически мог существовать до того, как Вселенная стала прозрачной. Плотность требует не только объема, но и массы, и эта ссылка на пример того, как один исследователь оценил массу Вселенной: http://www.scientificjournals.org/journals2009/articles/1437.pdf .

Флуктуации плотности энергии ранней Вселенной могли стать той крупномасштабной структурой, которую мы сейчас наблюдаем. Тенденция галактик группироваться и следовать за нитями темной материи может дать ключ к пониманию того, является ли наша Вселенная закрытой, плоской или открытой. Темная материя оказывает гравитационное притяжение к видимой материи, которая появляется на картах галактических скоплений. Вот ссылка на карту одной небольшой части Вселенной, показывающую, как видимая структура Вселенной группируется вдоль нитей, которые считаются темной материей: https://en.wikipedia.org/wiki/File:2dfdtfe .gif .

Смещение скоплений галактик вдоль того, что может быть подструктурой темной материи, может свидетельствовать о том, как колебалась масса-энергия на самых ранних стадиях нашей Вселенной и как она действовала во время инфляции. Вот описание того, как количественно определить смещение галактик и скоплений как нелокальное явление, и включает способ его измерения без необходимости предполагать предопределенную структуру темной материи: http://ned.ipac.caltech.edu/ level5/March12/Coil/Coil5.html . Если вы просмотрите весь веб-сайт, вы можете обнаружить, что это отличное введение в крупномасштабную структуру Вселенной и ответ на ваш вопрос о том, как исследователи определяют, где находится видимая и невидимая барионная материя, и ее связь с местоположением. темной материи.

Динамический процесс осаждения барионов из более плотной материи в их нынешнюю конфигурацию можно объяснить «трением» с темной материей. Вот ссылка на статью, в которой это исследуется: http://arxiv.org/pdf/astro-ph/9410093.pdf .

Эта ссылка ведет на отчет о самом последнем картографировании темной материи: http://www.sciencedaily.com/releases/2015/07/150702112045.htm . Вот ссылка на краткую информацию о том, как собираются доказательства существования темной материи: http://www.astro.cornell.edu/academics/courses/astro201/dm_evidence.htm

В общем, да, считается, что видимая материя и темная материя объединяются в нити.