Konventionelles Verhältnis von Materie zu dunkler Materie außerhalb von Galaxien

Mal sehen, ob ich zumindest einiges davon beantworten kann.

1. Ja, es gibt dunkle Materie zwischen Galaxien. Dies wird durch die Tatsache demonstriert, dass man in Galaxiengruppen und -haufen mehr dunkle Materie benötigt, als in den Galaxien selbst gefunden wird, um zu erklären, was vor sich geht: in Bezug darauf, warum die Gruppen oder Haufen trotz der extremen Geschwindigkeiten gravitativ gebunden sind Galaxien innerhalb der Gruppen/Haufen; warum das Röntgenstrahlen emittierende Gas in Clustern so heiß und unter hohem Druck ist und dennoch auf den Cluster beschränkt ist; und um den Gravitationslinseneffekt von Hintergrundgalaxien durch Haufen zu erklären. (Auch unterstützt durch Beobachtungen von Dingen wie dem Sunyaev-Zeldovich-Effekt in Clustern.)

   (Tatsächlich waren die ältesten Beweise für dunkle Materie die extrem hohen Geschwindigkeiten von Galaxien innerhalb von Haufen, wie sie von Fritz Zwicky in den 1930er Jahren gemessen wurden. Dies ist auch einer der Fehlermodi der modifizierten Newtonschen Dynamik als Alternative zur dunklen Materie: selbst wenn Sie glauben, Sie könnten Dunkle Materie in Galaxien loswerden , aber am Ende brauchen Sie immer noch Dunkle Materie in Galaxienhaufen, zusätzlich zu den Galaxien selbst.)

   Und natürlich weisen kosmologische Modelle darauf hin, dass dunkle Materie etwa 25 % der kritischen Dichte des Universums ausmacht. Um so viel dunkle Materie zu haben , muss man mehr dunkle Materie haben als in einzelnen Galaxien.

2. „Wenn es dunkle Materie zwischen Galaxien gibt. Wissen oder glauben wir: Wie hoch ist das Verhältnis von dunkler Materie da draußen?“ Ich denke, der einfachste Weg, dies zu beantworten, wäre, das Verhältnis von dunkler Materie zu baryonischer Materie für das Universum als Ganzes zu nehmen, wie es durch aktuelle kosmologische Beobachtungen und Modelle bestimmt wird. Dies ergibt ein Verhältnis von etwa 5:1.

3. „Galaxien existieren in Filamenten und Wänden. Tut das Dunkle Materie? Oder ist sie gleichmäßig verteilt?“ Ja, dunkle Materie macht das. Der Grund, warum wir Galaxien in Filamenten, Haufen und Wänden sehen, liegt darin, dass die dunkle Materie durch die Gravitation in diesen Strukturen zusammengeballt ist; Auf dieser Skala sind die Galaxien im Grunde genommen mit dabei und folgen der Anziehungskraft dessen, was die dunkle Materie tut. Der Grund dafür, dass Galaxien in Filamenten existieren, liegt in der ungleichmäßigen Verteilung der Dichte sowohl regulärer als auch dunkler Materie im gesamten Universum. Eine Überdichte führt dazu, dass die Materie kollabiert, um (zum Beispiel) eine Galaxie zu bilden, aber die Überdichte kann asymmetrisch sein. Dies führt dazu, dass der Kollaps in einer bestimmten Richtung schneller abläuft, wodurch sich Galaxien in Filamenten bilden (siehe zdieses Summary Paper für einen Überblick).

   Diese Seite enthält Bilder einer groß angelegten kosmologischen Simulation (der Millennium-Simulation). Die meisten Bilder, die die Filamentstruktur in verschiedenen Maßstäben zeigen, zeigen nur die Dunkle Materie .

Die kurze Antwort auf Ihre Frage lautet: Nein, es gibt keine dunkle Materie zwischen Galaxien, zumindest nicht auf nennenswertem Niveau.

Zwischen den Galaxien befindet sich gewöhnliche Materie, das so genannte intergalaktische Medium (IGM). Das IGM ist ein extrem verdünntes, heißes Gas, das den Raum zwischen Galaxien durchdringt. Die typische Dichte des IGM beträgt etwa ein Wasserstoffatom pro Kubikmeter und seine Temperatur liegt bei etwa 10 ^ 6 K. Diese hohen Temperaturen halten das IGM im Druckgleichgewicht mit allen Galaxien und verhindern, dass es auf Galaxien kollabiert.

Dunkle Materie ist jedoch kalt und es fehlt ihr die Druckunterstützung des Gases im IGM, sodass sie auf Galaxien kondensiert. [1] Ein interessanter Unterschied zwischen Dunkler Materie und gewöhnlicher Materie besteht darin, dass Dunkler Materie jeglicher Kühlmechanismus fehlt. Wenn gewöhnliche Materie auf eine Galaxie kollabiert, kann sie daher abkühlen und zu einem relativ kompakten Raum kondensieren und später Sterne und Planeten bilden. Die dunkle Materie bleibt jedoch ausgedehnt, weil sie keine Möglichkeit hat, ihre potenzielle Gravitationsenergie abzugeben. Galaxien weisen daher einen beträchtlichen Halo aus dunkler Materie auf, in dem das Verhältnis von dunkler Materie zu gewöhnlicher Materie einige galaktische Radien vom Zentrum entfernt erheblich zunimmt. Innerhalb der Galaxie selbst dominiert gewöhnliche Materie um mindestens eine Größenordnung,

Eine interessante Frage ist, ob Halos aus dunkler Materie im intergalaktischen Raum ohne eine entsprechende Wirtsgalaxie im Zentrum existieren oder nicht. Soweit wir das beurteilen können, scheint die Antwort darauf nein zu sein, oder zumindest müssen solche Strukturen ziemlich klein und äußerst selten sein. Es gibt Zwerggalaxien (nur 10^6 Sonnenmassen oder so), die enorme Halos aus dunkler Materie haben (im Vergleich zur Milchstraße viel unverhältnismäßig zu ihrer Größe), aber fast jeder Halo scheint zumindest etwas gewöhnliche Materie zu haben, egal wie schwach.

Kosmische Hohlräume sind ein noch extremeres Beispiel. Voids werden von dunkler Energie dominiert und dehnen sich daher schneller aus als der Rest des Universums. Hohlräume neigen dazu, jegliche Materie (dunkle oder andere) in Wände zu drücken, die sie von den umgebenden Hohlräumen trennen. Im wahrsten Sinne des Wortes besteht das Universum aus Hohlräumen, und alles, was wir wissen, liegt an den Wänden und Fäden, die sie trennen. Dieses Papier untersuchte Halos aus dunkler Materie in kosmischen Hohlräumen und stellte im Wesentlichen fest, dass es keine gab. Mit anderen Worten, sie fanden heraus, dass Halos aus dunkler Materie in kosmischen Hohlräumen genauso oft Wirtsgalaxien haben wie Halos aus dunkler Materie außerhalb kosmischer Hohlräume (also fast immer).

[1]: Um absolut pedantisch zu sein, würde ich nicht bezweifeln, dass es ein paar Teilchen dunkler Materie gibt, die im intergalaktischen Raum herumsausen. Aber ich wäre überrascht, wenn seine Dichte die (ohnehin mickrige) Dichte gewöhnlicher Materie im IGM übersteigen würde.