Kylmää pimeää ainetta

Kylmä pimeä aine ( eng.  Cold dark material , CDM ) on väitetty pimeän aineen tyyppi , jonka hiukkaset liikkuvat hitaasti valonnopeuteen verrattuna ( kylmän käsite CDM-mallissa) ja ovat heikosti vuorovaikutuksessa tavallisen aineen ja sähkömagneettisten kanssa. säteily ( pimeyden käsite CDM-mallissa). Uskotaan, että noin 84,54 % maailmankaikkeuden aineesta on pimeää ainetta, ja vain pieni osa on tavallista baryonista ainetta, joka koostuu tähdistä, planeetoista ja elävistä organismeista.

Teorian kehityksen historia

Vuonna 1982 kolme riippumatonta kosmologiryhmää julkaisi artikkeleita kylmän pimeän aineen teoriasta: James Peebles , [1] John Bond , Alex Salai ; Michael Turner ; [2] ja George Blumenthal , H. Pagels ja Joel Primack [3] . Blumenthal, Sandra Faber , Primak ja Martin Rees kirjoittivat vuonna 1984 merkittävän katsausartikkelin teorian yksityiskohdista [4] .

Teorian sisältö

Rakenteiden muodostus

Kylmän pimeän aineen teoriassa rakenteiden kasvu tapahtuu hierarkkisesti, kun taas pienikokoiset esineet romahtavat ensimmäisinä itsepainovoiman vaikutuksesta ja sulautuvat jatkuvaan hierarkkiseen rakenteeseen muodostaen suurempia ja massiivisempia rakenteita. 1980-luvun alussa suositun kuuman pimeän aineen paradigman alla rakenteet eivät kasvaneet hierarkkisesti, vaan muodostuivat pirstoutumisesta, jolloin suurimmat superklusterit muodostuivat ensin litteisiin rakenteisiin ja jakautuivat sitten pienempiin osiin, kuten Linnunrata-galaksimme . Kylmän pimeän aineen paradigman puitteissa saadut johtopäätökset ovat hyvin sopusoinnussa universumin laajamittaisten rakenteiden havaintojen kanssa.

Lambda-CDM malli

Pääartikkeli: Lambda-CDM malli

1980-luvun lopulta - 1990-luvulta lähtien useimmat kosmologit ovat pitäneet mieluummin kylmän pimeän aineen teoriaa (lähinnä lambda-CDM-mallia ) kuvaamaan, kuinka maailmankaikkeus lähtee suhteellisen homogeenisesta alkuperäisestä tilasta varhaisessa kehitysvaiheessa (kuten kosmisen aineen jakautuminen osoittaa). mikroaaltosäteily ) on siirtynyt nykyaikaiseen galaksien ja galaksiklustereiden epätasaisen jakautumisen tilaan . Kylmän pimeän aineen teoriassa kääpiögalaksien rooli on olennainen, koska niitä pidetään lohkoina, joista muodostuu suurempia rakenteita, jotka syntyvät varhaisen universumin pienimuotoisten tiheysvaihteluiden seurauksena [5] .

Pimeän aineen hiukkasten luonne

Pimeä aine määritellään sen gravitaatiovuorovaikutuksesta tavallisen aineen ja säteilyn kanssa. Siksi on vaikea määrittää, mistä komponenteista kylmä pimeä aine koostuu. Ehdokasobjektit voidaan jakaa kolmeen ryhmään.

• Aksionit ovat erittäin kevyitä hiukkasia, joilla on erityinen vuorovaikutus keskenään [6] [7] . Aksioneilla on se teoreettinen etu, että niiden olemassaolo voisi ratkaista yhden kvanttikromodynamiikan ongelmista , mutta toistaiseksi näitä hiukkasia ei ole löydetty.

• MACHO eli Massive Compact Halo Objects ovat suuria, tiheitä esineitä, kuten mustia aukkoja , neutronitähtiä , valkoisia kääpiöitä , hyvin himmeitä tähtiä tai valottomia esineitä, kuten planeettoja. Tällaisten kohteiden etsiminen koostuu gravitaatiolinssimenetelmän käyttämisestä tällaisten kohteiden vaikutuksen havaitsemiseksi taustagalaksien kuviin. Useimmat asiantuntijat uskovat, että esineetsintätuloksista johtuvat rajoitukset sulkevat MACHO:n pois pimeän aineen esineiden ehdokkaiden joukosta [8] [9] [10] [11] [12] [13] .

• WIMP: Pimeä aine voi olla tehty heikosti vuorovaikutuksessa olevista massiivisista hiukkasista . Toistaiseksi ei ole löydetty tarvittavilla ominaisuuksilla varustettuja hiukkasia, mutta monet Standardimallin laajennukset ennustavat tällaisten hiukkasten olemassaolon. WIMP-haku sisältää yrityksiä havaita ne suoraan erittäin herkillä ilmaisimilla sekä yrityksiä luoda niitä hiukkaskiihdyttimillä. WIMP:itä pidetään yleensä todennäköisimpinä ehdokkaina pimeän aineen komponenteille [9] [11] [13] . DAMA/NaI - kokeessa ja sitä seuranneessa DAMA/LIBRA -kokeessa yritettiin havaita suoraan Maan läpi kulkevia pimeän aineen hiukkasia, mutta monet tutkijat suhtautuvat kokeisiin skeptisesti, koska vastaavien projektien tulokset eivät ole yhdenmukaisia ​​DAMA-tulosten kanssa.

Vaikeudet

Kylmän pimeän aineen mallin ennusteiden ja galaksien ja niiden klustereiden havaintojen välillä on useita eroja.

• Pimeä halo -  ongelma : pimeän aineen tiheyden jakautumisella kylmää pimeää ainetta koskevissa simulaatioissa on paljon selvempi huippu keskiosassa verrattuna galaksien pyörimiskäyrien analysointiin saatuun jakaumaan [14] .
• Puuttuvien satelliittien ongelma : kylmän pimeän aineen simulaatiot ennustavat paljon  suuremman määrän kääpiögalakseja kuin Linnunradan kaltaisten galaksien ympärillä havaitaan [15] .
• Satelliittilevyongelma: Linnunradan ja Andromeda-sumun ympärillä olevien kääpiögalaksien havaitaan kiertävän ohuissa litteissä rakenteissa, mutta simulaatiot osoittavat, että satelliittien kiertoradat on suunnattava satunnaisesti [16] .
• Galaksien morfologian ongelma: jos galaksit kasvavat hierarkkisesti, niin massiivisten galaksien syntymiseen tarvitaan monia sulautumisia. Suuret fuusiot luovat klassisia pullistumia . Mutta 80 %:lla havaituista galakseista ei ole pullistumaa, kun taas monet jättimäiset kiekkogalaksit ovat ilman pullistumaa [17] . Pullottomien galaksien osuus on ollut suunnilleen vakio viimeisen 8 miljardin vuoden aikana [18] .

Joillekin ongelmille on ehdotettu ratkaisuja, mutta on edelleen epäselvää, voidaanko ongelmat ratkaista ilman kylmän pimeän aineen paradigmaa [19] .

Muistiinpanot

1. ↑ Peebles, PJE Laajamittainen taustalämpötila- ja massavaihtelut mittakaavaltaan muuttumattomista alkuaikojen häiriöistä  //  The Astrophysical Journal  : Journal. - IOP Publishing , 1982. - Joulukuu ( nide 263 ). - P.L1 . - doi : 10.1086/183911 . - .
2. ↑ Galaksien muodostuminen gravitino-dominoimassa universumissa  // Physical Review Letters  : Journal  . — Voi. 48 . - s. 1636-1639 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.48.1636 . - .
3. ↑ Blumenthal, George R.; Pagels, Heinz; Primack, Joel R. Galaksin muodostuminen neutriinoja raskaampien hajoamattomien hiukkasten vaikutuksesta  //  Nature : Journal. - 1982. - 2. syyskuuta ( nide 299 , nro 5878 ). - s. 37-38 . - doi : 10.1038/299037a0 . - .
4. ↑ Blumenthal, G. R.; Faber, S. M.; Primack, JR; Rees,, MJ Galaksien muodostuminen ja laajamittainen rakenne kylmällä pimeällä aineella  (englanniksi)  // Nature : Journal. - 1984. - Voi. 311 , no. 517 . - s. 517-525 . - doi : 10.1038/311517a0 . — .
5. ↑ Battinelli, P.; S. Demers. DDO 190:n C-tähtipopulaatio: 1. Johdanto  // Astronomy and Astrophysics  : Journal  . - Astronomy & Astrophysics, 2005. - 6. lokakuuta ( nide 447 ). — s. 1 . - doi : 10.1051/0004-6361:20052829 . - . Arkistoitu alkuperäisestä 6. lokakuuta 2005.
6. ↑ esim. M. Turner . Axions 2010 Workshop, U. Florida, Gainesville, USA.
7. ↑ esim. Pierre Sikivie . Axion Cosmology, Lekt. Huomautuksia Phys. 741, 19-50.
8. ↑ Carr, BJ et ai. Uudet kosmologiset rajoitukset primordial black holes  (englanniksi)  // Physical Review D  : Journal. - 2010. - Toukokuu ( osa 81 , nro 10 ). — P. 104019 . - doi : 10.1103/PhysRevD.81.104019 . — . - arXiv : 0912.5297 .
9. ↑ 1 2 Peter, AHG (2012), Dark Matter: A Brief Review, arΧiv : 1201.3942v1 [astro-ph.CO]. 
10. ↑ Bertone, Gianfranco; Hooper, Dan; Silkki, Joosef Hiukkasten pimeä aine :todisteet, ehdokkaat ja rajoitteet  // Physics Reports : päiväkirja. - 2005. - tammikuu ( osa 405 , nro 5-6 ). - s. 279-390 . - doi : 10.1016/j.physrep.2004.08.031 . - . - arXiv : hep-ph/0404175 .
11. ↑ 1 2 Garrett, Katherine; Duda, Gintaras. Dark Matter: A Primer // Advances in Astronomy. - T. 2011 . - S. 968283 . - doi : 10.1155/2011/968283 . - . - arXiv : 1006.2483 . . s. 3: "MACHOt voivat muodostaa vain hyvin pienen osan galaksimme valottomasta massasta, mikä paljastaa, että suurin osa pimeästä aineesta ei voi olla vahvasti keskittynyt tai esiintyä baryonisten astrofysikaalisten esineiden muodossa. Vaikka mikrolinssitutkimukset sulkevat pois baryoniset esineet, kuten ruskeat kääpiöt, Mustat aukot ja neutronitähdet galaktisessa halossamme, voivatko muut baryonisen aineen muodot muodostaa suurimman osan pimeästä aineesta? Vastaus on yllättäen ei..."
12. ↑ Gianfranco Bertone, "Wimp-pimeän aineen totuuden hetki", Nature 468, 389–393 (18. marraskuuta 2010)
13. ↑ 1 2 Keith A Olive. TASI Lectures on Dark Matter // Fysiikka. — Voi. 54. - S. 21.
14. ↑ Gentile, G.; P., Salucci. Pimeän aineen ydinjakauma spiraaligalakseissa  (englanniksi)  // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society  : Journal. - Oxford University Press , 2004. - Voi. 351 . - s. 903-922 . - doi : 10.1111/j.1365-2966.2004.07836.x . - . - arXiv : astro-ph/0403154 .
15. ↑ Klypin, Anatoli; Kravtsov, Andrei V.; Valenzuela, Octavio; Prada, Francisco. Missä kadonneet galaktiset satelliitit ovat? (englanniksi)  // The Astrophysical Journal  : Journal. - IOP Publishing , 1999. - Voi. 522 . - s. 82-92 . - doi : 10.1086/307643 . - . - arXiv : astro-ph/9901240 .
16. ↑ Marcel Pawlowski et al., "Yhteiskiertoa kiertävät satelliittigalaksirakenteet ovat edelleen ristiriidassa alkukantaisten kääpiögalaksien jakauman kanssa" MNRAS (2014) https://arxiv.org/abs/1406.1799
17. ↑ Kormendy , J.; Drory, N.; Bender, R.; Cornell, M.E. Pullottomat jättiläisgalaksit haastavat hierarkkisen klusteroinnin avulla kuvamme galaksien muodostumisesta  //  The Astrophysical Journal  : Journal. - IOP Publishing , 2010. - Voi. 723 . - s. 54-80 . - doi : 10.1088/0004-637X/723/1/54 . — . - arXiv : 1009.3015 .
18. ↑ Sachdeva, S.; Saha, K. Pure Disk Galaxies Survival of Pure Disk Galaxies viimeisten 8 miljardin vuoden aikana  //  The Astrophysical Journal  : Journal. - IOP Publishing , 2016. - Vol. 820 . - P.L4 . - doi : 10.3847/2041-8205/820/1/L4 . — . - arXiv : 1602.08942 .
19. ↑ Kroupa, P.; Famaey, B.; de Boer, Klaas S.; Dabringhausen, Joerg; Pawlowski, Marcel; Boily, Christian; Jergen, Helmut; Forbes, Duncan; Hensler, Gerhard. Pimeän aineen paikalliset ryhmätestit Concordance Cosmology: Towards a new paradigm for structure formation  (englanti)  // Astronomy and Astrophysics  : Journal. - 2010. - Vol. 523 . - s. 32-54 . - doi : 10.1051/0004-6361/201014892 . - . - arXiv : 1006.1647 .

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Britannica (verkossa)