Relación de materia convencional a materia oscura, fuera de las galaxias

Considere decir este diagrama sobresaliente de otra pregunta,

Para empezar, las galaxias tienen una densidad típica D. El espacio intergaláctico tiene una densidad mucho menor d.

Como sabemos: en las galaxias (con densidad D) la mayor parte del material es materia oscura. Digamos por conveniencia que es 10: 1.

Entonces, la proporción de materia oscura en las galaxias es (diremos) 10: 1.

Pero esto es lo que no puedo encontrar explicado en ningún lado:

(1) En el espacio intergaláctico. En primer lugar, simplemente, ¿hay alguna materia oscura? ¿O creemos que la materia oscura existe, simplemente, solo en las galaxias? ¿No entre?

(2) Si hay materia oscura entre las galaxias. ¿Sabemos o creemos: cuál es la proporción de materia oscura por ahí? De hecho, ¿tiene la misma proporción (digamos, 10: 1) que dentro de las galaxias? O, ¿es quizás aún más dominante, o quizás mucho menos dominante? ¿Cuál es la relación por ahí?

(3) Si hay materia oscura en todas partes. Las galaxias existen en filamentos y paredes. ¿La materia oscura hace esto? o es uniformemente extendido?

La respuesta corta a su pregunta es no, no hay materia oscura entre las galaxias, al menos en cualquier nivel apreciable.

Hay materia ordinaria entre las galaxias, llamada medio intergaláctico (IGM). El IGM es un gas caliente extremadamente diluido que impregna el espacio entre las galaxias. La densidad típica del IGM es de aproximadamente un átomo de hidrógeno por metro cúbico y su temperatura es de alrededor de 10 ^ 6 K. Estas altas temperaturas mantienen el IGM en equilibrio de presión con cualquier galaxia y evitan que se colapse sobre las galaxias.

Sin embargo, la materia oscura es fría y carece del soporte de presión del gas en el IGM, por lo que se condensa en galaxias. [1] Una diferencia interesante entre la materia oscura y la materia ordinaria es que la materia oscura carece de algún tipo de mecanismo de enfriamiento. Como resultado, cuando la materia ordinaria se colapsa en una galaxia, puede enfriarse y condensarse en un espacio relativamente compacto y luego formar estrellas y planetas. La materia oscura, sin embargo, permanece extendida porque no tiene forma de deshacerse de su energía potencial gravitacional. Por lo tanto, las galaxias exhiben un halo sustancial de materia oscura, donde la relación entre la materia oscura y la materia ordinaria aumenta sustancialmente a unos pocos radios galácticos del centro. Dentro de la propia galaxia, la materia ordinaria es dominante al menos en un orden de magnitud,

Una pregunta interesante es si existen o no halos de materia oscura en el espacio intergaláctico sin una galaxia anfitriona correspondiente en el centro. Por lo que podemos decir, la respuesta a eso parece ser no, o al menos, tales estructuras deben ser bastante pequeñas y extremadamente raras. Hay galaxias enanas (solo 10 ^ 6 masas solares más o menos) que tienen enormes halos de materia oscura (muy desproporcionados con respecto a su tamaño, en relación con la Vía Láctea), pero casi cada halo parece tener al menos algo de materia ordinaria presente, No importa cuán débil sea.

Los vacíos cósmicos son un ejemplo aún más extremo. Los huecos están dominados por la energía oscura y, por lo tanto, se expanden más rápidamente que el resto del universo. Los vacíos tienden a empujar cualquier materia (oscura o no) hacia las paredes que los separan de los vacíos circundantes. En un sentido real, el universo está hecho de vacíos, y todo lo que sabemos se encuentra en las paredes y los filamentos que los separan. Este artículo examinó halos de materia oscura en vacíos cósmicos y esencialmente encontró que no había ninguno. En otras palabras, descubrieron que los halos de materia oscura en los vacíos cósmicos tienen galaxias anfitrionas con la misma frecuencia que los halos de materia oscura fuera de los vacíos cósmicos (es decir, casi siempre).

[1]: Para ser absolutamente pedante, no dudaría de que haya algunas partículas de materia oscura zumbando en el espacio intergaláctico. Pero me sorprendería si su densidad excediera la densidad (ya insignificante) de la materia ordinaria en el IGM.

Déjame ver si puedo responder al menos algo de esto.

1. Sí, hay materia oscura entre las galaxias. Esto se demuestra por el hecho de que en los grupos y cúmulos de galaxias, se necesita más materia oscura que la que se encuentra en las galaxias mismas para explicar lo que está sucediendo: en términos de por qué los grupos o cúmulos están gravitacionalmente unidos a pesar de las velocidades extremas de la galaxia. galaxias dentro de los grupos / cúmulos; por qué el gas que emite rayos X en los grupos es tan caliente y de alta presión y, sin embargo, todavía está confinado al grupo; y para explicar la lente gravitacional de galaxias de fondo por cúmulos. (También respaldado por observaciones de cosas como el efecto Sunyaev-Zeldovich en grupos).

   (De hecho, la evidencia más antigua de la materia oscura fue la velocidad extremadamente alta de las galaxias dentro de los cúmulos, medida por Fritz Zwicky en la década de 1930. Este es también uno de los modos de falla de la Dinámica Newtoniana Modificada como alternativa a la materia oscura: incluso si cree que puede deshacerse de la materia oscura dentro de las galaxias, aún termina necesitando materia oscura dentro de los cúmulos de galaxias, además de las galaxias mismas).

   Y, por supuesto, los modelos cosmológicos indican que la materia oscura representa aproximadamente el 25% de la densidad crítica del universo. Con el fin de tener tanto la materia oscura, que tienen que tener más materia oscura que lo que hay dentro de las galaxias individuales.

2. "Si hay materia oscura entre las galaxias. ¿Sabemos o creemos: cuál es la proporción de materia oscura que hay?" Creo que la forma más sencilla de responder a esto sería tomar la proporción de materia oscura / materia bariónica para el universo en su conjunto, según lo determinado por las observaciones y modelos cosmológicos actuales. Esto da una relación de aproximadamente 5: 1.

3. "Las galaxias existen en filamentos y paredes. ¿La materia oscura hace esto? ¿O se distribuye uniformemente?" Sí, la materia oscura hace esto. La razón por la que vemos galaxias en filamentos, cúmulos y paredes es porque la materia oscura se ha agrupado gravitacionalmente en esas estructuras; En esta escala, las galaxias están básicamente en el camino, siguiendo la atracción gravitacional de lo que está haciendo la materia oscura. La razón de las galaxias existentes en los filamentos se debe a la distribución desigual de la densidad de la materia oscura y regular en todo el universo. Una sobredensidad conduce al colapso de la materia para formar (por ejemplo) una galaxia, pero la sobredensidad puede ser asimétrica. Esto lleva a que el colapso ocurra más rápido en una dirección particular, lo que hace que se formen galaxias en filamentos (ver, por ejemplo,este resumen para una visión general).

   Esta página tiene imágenes de una simulación cosmológica a gran escala (la Simulación del Milenio). La mayoría de las imágenes que muestran la estructura filamentosa en diferentes escalas muestran solo la materia oscura .