Rapport matière classique / matière noire, en dehors des galaxies

Pensez à dire ce diagramme exceptionnel d'une autre question,

Pour commencer, les galaxies ont une densité typique D. L'espace intergalactique a une densité beaucoup plus faible d.

Comme nous le savons: dans les galaxies (de densité D), la plupart des matières sont de la matière noire. Disons que pour plus de commodité, il est de 10: 1.

Ainsi, le rapport de la matière noire dans les galaxies est (nous dirons) 10: 1.

Mais voici ce que je ne trouve nulle part expliqué:

(1) Dans l'espace intergalactique. Tout d'abord, y a-t-il simplement de la matière noire? Ou croyons-nous que la matière noire n'existe, simplement, que dans les galaxies? Pas entre?

(2) S'il y a de la matière noire entre les galaxies. Savons-nous ou croyons-nous: quel est le rapport de la matière noire là-bas? En fait, est-ce juste le même rapport (disons 10: 1) qu'à l'intérieur des galaxies? Ou est-ce peut-être encore plus dominant, ou peut-être beaucoup moins dominant? Quel est le ratio là-bas?

(3) S'il y a de la matière noire partout. Les galaxies existent dans les filaments et les murs. La matière noire fait-elle cela? ou est-il uniformément réparti?

La réponse courte à votre question est non, il n'y a pas de matière noire entre les galaxies, du moins à un niveau appréciable.

Il existe une matière ordinaire entre les galaxies, appelée le milieu intergalactique (IGM). L'IGM est un gaz chaud extrêmement dilué qui imprègne l'espace entre les galaxies. La densité typique de l'IGM est d'environ un atome d'hydrogène par mètre cube et sa température est d'environ 10 ^ 6 K. Ces températures élevées maintiennent l'IGM en équilibre de pression avec toutes les galaxies et l'empêchent de s'effondrer sur les galaxies.

La matière noire, cependant, est froide et n'a pas l'appui de la pression du gaz dans l'IGM, donc elle se condense sur les galaxies. [1] Une différence intéressante entre la matière noire et la matière ordinaire est que la matière noire manque de toute sorte de mécanisme de refroidissement. En conséquence, lorsque la matière ordinaire s'effondre sur une galaxie, elle peut se refroidir et se condenser dans un espace relativement compact et former plus tard des étoiles et des planètes. La matière noire, cependant, reste étendue car elle n'a aucun moyen de perdre son énergie potentielle gravitationnelle. Les galaxies présentent donc un halo substantiel de matière noire, où le rapport de la matière noire à la matière ordinaire augmente sensiblement de quelques rayons galactiques loin du centre. Au sein de la galaxie elle-même, la matière ordinaire est dominante d'au moins un ordre de grandeur,

Une question intéressante est de savoir s'il existe ou non des halos de matière noire dans l'espace intergalactique sans une galaxie hôte correspondante au centre. Pour autant que nous puissions en juger, la réponse semble être non, ou du moins, de telles structures doivent être assez petites et extrêmement rares. Il y a des galaxies naines (seulement 10 ^ 6 masses solaires environ) qui ont d'énormes halos de matière noire (bien hors de proportion avec leur taille, par rapport à la Voie lactée), mais presque chaque halo semble avoir au moins une matière ordinaire présente, aussi faible soit-il.

Les vides cosmiques en sont un exemple encore plus extrême. Les vides sont dominés par l'énergie sombre et s'étendent donc plus rapidement que le reste de l'univers. Les vides ont tendance à pousser toute matière (sombre ou non) dans les murs qui les séparent des vides environnants. Dans un vrai sens, l'univers est fait de vides, et tout ce que nous savons se trouve sur les murs et les filaments qui les séparent. Cet article a examiné les halos de matière noire dans les vides cosmiques et a essentiellement constaté qu'il n'y en avait pas. En d'autres termes, ils ont découvert que les halos de matière noire dans les vides cosmiques ont des galaxies hôtes tout aussi souvent que les halos de matière noire en dehors des vides cosmiques (c'est-à-dire presque toujours).

[1]: Pour être absolument pédant, je ne doute pas qu'il y ait quelques particules de matière noire qui sifflent dans l'espace intergalactique. Mais je serais surpris si sa densité dépassait la densité (déjà chétive) de la matière ordinaire dans l'IGM.

Voyons si je peux répondre à au moins une partie de cela.

1. Oui, il y a de la matière noire entre les galaxies. Ceci est démontré par le fait que dans les groupes et les amas de galaxies, vous avez besoin de plus de matière noire que celle qui se trouve dans les galaxies elles-mêmes pour expliquer ce qui se passe: en termes de pourquoi les groupes ou amas sont liés par gravitation malgré les vitesses extrêmes des galaxies au sein des groupes / amas; pourquoi le gaz émettant des rayons X dans les grappes est si chaud et à haute pression et pourtant encore confiné à la grappe; et afin d'expliquer la lentille gravitationnelle des galaxies de fond par amas. (Également soutenu par des observations de choses comme l'effet Sunyaev-Zeldovich en grappes.)

   (En fait, les preuves les plus anciennes de la matière noire étaient les vitesses extrêmement élevées des galaxies au sein des amas mesurées par Fritz Zwicky dans les années 1930. C'est également l'un des modes de défaillance de la dynamique newtonienne modifiée comme alternative à la matière noire: même si vous pensez que vous pouvez vous débarrasser de la matière noire dans les galaxies, vous finissez toujours par avoir besoin de matière noire dans les amas de galaxies, en plus des galaxies elles-mêmes.)

   Et, bien sûr, les modèles cosmologiques indiquent que la matière noire représente environ 25% de la densité critique de l'univers. Afin d'avoir autant de matière noire, vous devez avoir plus de matière noire que ce qui se trouve à l'intérieur des galaxies individuelles.

2. "S'il y a de la matière noire entre les galaxies. Savons-nous ou croyons-nous: quel est le rapport de la matière noire là-bas?" Je pense que la manière la plus simple d'y répondre serait de prendre le rapport matière noire / matière baryonique pour l'univers dans son ensemble, tel que déterminé par les observations et modèles cosmologiques actuels. Cela donne un rapport d'environ 5: 1.

3. "Les galaxies existent dans les filaments et les murs. La matière noire fait-elle cela? Ou est-elle uniformément répartie?" Oui, la matière noire fait ça. La raison pour laquelle nous voyons des galaxies dans les filaments, les amas et les murs est que la matière noire s'est agglomérée gravitationnellement dans ces structures; à cette échelle, les galaxies sont fondamentalement en route pour le trajet, suivant l'attraction gravitationnelle de ce que fait la matière noire. La raison pour laquelle les galaxies existent dans les filaments est due à la distribution inégale de la densité de la matière régulière et sombre dans tout l'univers. Une surdensité conduit à l'effondrement de la matière pour former (par exemple) une galaxie, mais la surdensité peut être asymétrique. Cela conduit à l'effondrement se produisant plus rapidement dans une direction particulière, provoquant la formation de galaxies en filaments (voir par exemplece document de synthèse pour un aperçu).

   Cette page contient des images d'une simulation cosmologique à grande échelle (la simulation du millénaire). La plupart des images montrant la structure filamentaire à différentes échelles montrent uniquement la matière noire .