Relação convencional de matéria escura, fora das galáxias

Considere, digamos, este diagrama pendente de outra pergunta,

Para começar, as galáxias têm uma densidade típica D. O espaço intergalático tem uma densidade muito menor d.

Como sabemos: nas galáxias (com densidade D), a maioria das coisas é matéria escura. Digamos por conveniência que é 10: 1.

Portanto, a proporção de matéria escura nas galáxias é (diremos) 10: 1.

Mas aqui está o que não consigo encontrar explicado em nenhum lugar:

(1) no espaço intergaláctico. Antes de tudo, simplesmente existe alguma matéria escura? Ou acreditamos que a matéria escura existe simplesmente nas galáxias? Não entre?

(2) Se houver matéria escura entre galáxias. Sabemos ou acreditamos: qual é a proporção de matéria escura lá fora? De fato, é exatamente a mesma proporção (digamos, 10: 1) das galáxias internas? Ou é talvez ainda mais dominante, ou talvez muito menos dominante? Qual é a proporção lá fora?

(3) Se houver matéria escura em toda parte. Galáxias existem em filamentos e paredes. A matéria escura faz isso? ou é uniformemente espalhado?

A resposta curta para sua pergunta é não, não há matéria escura entre galáxias, pelo menos em qualquer nível apreciável.

Existe matéria comum entre galáxias, chamada meio intergaláctico (IGM). O IGM é um gás quente extremamente diluído que permeia o espaço entre galáxias. A densidade típica do IGM é de cerca de um átomo de hidrogênio por metro cúbico e sua temperatura é de cerca de 10 ^ 6 K. Essas altas temperaturas mantêm o IGM em equilíbrio de pressão com qualquer galáxias e evitam que ele colapse nas galáxias.

A matéria escura, no entanto, é fria e carece do suporte de pressão do gás no IGM, portanto ela condensa nas galáxias. [1] Uma diferença interessante entre matéria escura e matéria comum é que a matéria escura não possui nenhum tipo de mecanismo de resfriamento. Como resultado, quando a matéria comum entra em colapso em uma galáxia, ela pode esfriar e condensar em um espaço relativamente compacto e, posteriormente, formar estrelas e planetas. A matéria escura, no entanto, permanece estendida porque não tem como liberar sua energia potencial gravitacional. As galáxias, portanto, exibem um halo substancial de matéria escura, onde a proporção de matéria escura e matéria comum aumenta substancialmente alguns raios galácticos para longe do centro. Dentro da própria galáxia, a matéria comum é dominante por pelo menos uma ordem de magnitude,

Uma questão interessante é se existem ou não halos de matéria escura no espaço intergaláctico sem uma galáxia hospedeira correspondente no centro. Tanto quanto podemos dizer, a resposta para isso parece não ser, ou pelo menos, essas estruturas devem ser bem pequenas e extremamente raras. Existem galáxias anãs (apenas 10 ^ 6 massas solares) que possuem enormes halos de matéria escura (muito fora de proporção com seu tamanho, em relação à Via Láctea), mas quase todo halo parece ter pelo menos alguma matéria comum presente, não importa o quão débil.

Vazios cósmicos são um exemplo ainda mais extremo. Os vazios são dominados pela energia escura e, portanto, se expandem mais rapidamente do que o resto do universo. Os vazios tendem a empurrar qualquer matéria (escura ou não) para dentro das paredes que os separam dos vazios circundantes. Em um sentido real, o universo é feito de vazios, e tudo o que sabemos está nas paredes e filamentos que os separam. Este artigo examinou halos de matéria escura em vazios cósmicos e descobriu essencialmente que não havia. Em outras palavras, eles descobriram que os halos de matéria escura nos vazios cósmicos têm galáxias hospedeiras com a mesma frequência que os halos de matéria escura fora dos vazios cósmicos (ou seja, quase sempre).

[1]: Para ser absolutamente pedante, eu não duvido que haja algumas partículas de matéria escura zunindo no espaço intergalático. Mas eu ficaria surpreso se sua densidade exceder a densidade (já insignificante) da matéria comum no IGM.

Deixe-me ver se consigo responder pelo menos a parte disso.

1. Sim, existe matéria escura entre galáxias. Isso é demonstrado pelo fato de que, nos grupos e aglomerados de galáxias, você precisa de mais matéria escura do que a encontrada nas próprias galáxias para explicar o que está acontecendo: em termos de por que os grupos ou aglomerados estão gravitacionalmente ligados, apesar das velocidades extremas do galáxias dentro dos grupos / aglomerados; por que o gás emissor de raios-X nos clusters é tão quente e de alta pressão e ainda assim confinado ao cluster; e, a fim de explicar as lentes gravitacionais de galáxias de fundo por aglomerados. (Também apoiado por observações de coisas como o efeito Sunyaev-Zeldovich em clusters.)

   (De fato, a evidência mais antiga para a matéria escura foram as velocidades extremamente altas das galáxias dentro dos aglomerados, medidas por Fritz Zwicky na década de 1930. Esse também é um dos modos de falha da Dinâmica Newtoniana Modificada como uma alternativa à matéria escura: mesmo se você acha que pode se livrar da matéria escura nas galáxias, ainda precisa de matéria escura nos aglomerados de galáxias, além das próprias galáxias.)

   E, é claro, modelos cosmológicos indicam que a matéria escura é responsável por cerca de 25% da densidade crítica do universo. Para ter tanta matéria escura, você precisa ter mais matéria escura do que dentro de galáxias individuais.

2. "Se houver matéria escura entre galáxias. Sabemos ou acreditamos: qual é a proporção de matéria escura por aí?" Penso que a maneira mais simples de responder a isso seria levar a razão matéria escura / matéria bariônica para o universo como um todo, conforme determinado pelas atuais observações e modelos cosmológicos. Isso fornece uma proporção de cerca de 5: 1.

3. "As galáxias existem em filamentos e paredes. A matéria escura faz isso? Ou é espalhada uniformemente?" Sim, a matéria escura faz isso. A razão pela qual vemos galáxias em filamentos, aglomerados e paredes é porque a matéria escura se aglomera gravitacionalmente nessas estruturas; nessa escala, as galáxias estão basicamente juntas, seguindo a força gravitacional do que a matéria escura está fazendo. A razão das galáxias existirem nos filamentos é devido à distribuição desigual da densidade da matéria regular e da matéria escura em todo o universo. Uma superdensidade leva ao colapso da matéria para formar (por exemplo) uma galáxia, mas a superdensidade pode ser assimétrica. Isso leva ao colapso ocorrendo mais rapidamente em uma direção específica, causando a formação de galáxias nos filamentos (ver, por exemplo,resumo deste documento para uma visão geral).

   Esta página possui imagens de uma simulação cosmológica em larga escala (a Simulação do Milênio). A maioria das imagens que mostram a estrutura filamentar em diferentes escalas mostra apenas a matéria escura .