Was ist der Beweis, falls vorhanden, für eine oder mehrere lokale Konzentrationen dunkler Materie in einigen Regionen, die kleiner als eine Galaxie sind?

Dies ist ein aktives (heißes?) Forschungsthema, tatsächlich habe ich erst letzte Woche an einem Workshop zu diesem Thema teilgenommen. Kurz gesagt, niemand hat bisher einen Halo aus Dunkler Materie (DM) gefunden, der keine Galaxie beherbergt, obwohl wir das sehr, sehr gerne tun würden!

Der erste Grund, warum es so schwierig ist, einen DM-Halo zu finden, der keine Galaxie hat, ist, dass eine gängige Arbeitsdefinition einer Galaxie „eine Ansammlung von Sternen, Gas, Staub (möglicherweise andere Dinge, z. B. ein supermassives Schwarzes Loch) ist, die sitzt in einem Halo aus dunkler Materie" . Dies steht im Gegensatz zu Sternhaufen ( Kugelsternhaufen , offene Sternhaufen ) , bei denen es sich um Ansammlungen von Sternen handelt, von denen angenommen wird, dass sie keine signifikanten Konzentrationen von DM aufweisen. Traditionell wurden Zwerggalaxien und Kugelsternhaufen getrennt klassifiziert, und der DM-Gehalt galt als eines der bestimmenden Merkmale. Nun scheint die Abgrenzung zwischen den beiden Klassen etwas zu verschwimmen, und es ist nicht klar, ob diese Ideen und Definitionen auf lange Sicht Bestand haben werden. Der knifflige Teil ist also, dass Sie, um einen DM-Halo ohne eine Galaxie darin zu finden, einen finden müssen, der tatsächlich leer ist, wenn es irgendwelche Sterne (oder wohl sogar eine Gaswolke) gibt, was Sie haben, ist eine Galaxie.

Eine weitere Komplikation besteht darin, dass ein solcher Halo sehr klein sein muss, weniger als etwa$10^{9.5}\,{\rm M}_\odot$, geben oder nehmen, weil erwartet wird, dass jeder massereichere Halo eine Galaxie beherbergt . Da ein leerer DM-Halo nur durch einen Gravitationseffekt erkannt werden kann (nicht ganz richtig, siehe unten über selbstwechselwirkendes DM), müssen Sie entweder eine Gravitationsinteraktion oder ein Gravitationslinsenereignis sehen . Da die Masse gering ist, sind die möglichen Effekte eher schwach. Einige aktuelle Leitideen:

• Ein dunkler DM-Halo, der mit einem Sternstrom kollidiert, könnte eine verräterische Lücke im Strom hinterlassen . Dies ist ein sehr subtiler Effekt, der sehr schwer sowohl zu messen als auch zu modellieren ist. Und obendrein soll es nicht besonders häufig sein, und da Sternströme für diese Messung nur in unserer eigenen Milchstraßengalaxie ausreichend detailliert beobachtbar sind, besteht die Möglichkeit, dass keiner der Ströme derzeit eine Lücke hat und wir Ich werde einfach Pech haben.
• Ein dunkler Halo, der mit einer Zwerggalaxie verschmilzt, könnte ziemlich spektakulär sein – er würde eher wie eine gewöhnliche große Verschmelzung zweier Zwerggalaxien aussehen, außer dass nur einer der verschmelzenden Zwerggalaxien sichtbar wäre. Die Fusionsrate ist nicht allzu hoch zu erwarten, und man muss aufpassen, dass man nicht mit anderen Arten von Systemstörungen verwechselt wird. In diesem Fall ist es auch sehr schwierig, die Masse des dunklen Halo zu bestimmen, was eine sehr interessante Größe ist.
• In starken Linsensystemen erzeugt eine Gravitationslinse in mittlerer Entfernung mehrere Bilder eines Hintergrundobjekts. Für eine "einfache" Linse wie eine massive elliptische Galaxie gibt es eine ziemlich gute Symmetrie und die Bilder können in einer Handvoll bekannter Konfigurationen erscheinen. Basierend auf ihren relativen Orientierungen kann man eine sehr starke Vorhersage für den relativen Fluss (Helligkeit) der verschiedenen Bilder konstruieren. Abweichungen von den vorhergesagten "Flussverhältnissen" könnten durch Störungen der Linse durch dunkle Substrukturen verursacht werden. Dies wird als "Flussverhältnisanomalie" bezeichnet, und eine Handvoll davon wurde beobachtet. Der knifflige Teilüberzeugt sich selbst, dass der FRA auf einen dunklen Halo zurückzuführen ist und nicht auf etwas anderes (Kugelhaufen oder Zwerggalaxie stören die Linse, schwer zu überprüfen, weil die Linsen so weit entfernt sind); oder eine dazwischenliegende Staubwolke, die etwas Licht von einem der Bilder blockiert.
• Eines der wichtigsten interessanten Ergebnisse des Workshops, an dem ich teilnahm, war, dass die starken Linsenmodelle allmählich ausgereift genug und die Beobachtungen detailliert genug sind, dass es möglich sein könnte, nicht nur das Vorhandensein und die Position einer Störung der Linse zu messen , sondern auch seine Entfernung. Dies ist der Schlüssel, da eine Störung außerhalb des Linsensystems (dh draußen in einem Stück Universum mit allgemein geringer Dichte) wahrscheinlich kein Kugelsternhaufen ist, und wenn die Masse gering genug ist, um eine Zwerggalaxie auszuschließen, ist dies möglicherweise die beste Chance auf die Entdeckung eines dunklen Halo in naher Zukunft.

Die Auswirkungen auf eine Erkennung sind erheblich. Der Nachweis selbst einer einzigen geringen Masse ($10^6\,{\rm M}_\odot$, möglicherweise sogar bis zu$10^7\,{\rm M}_\odot$) reicht unter den richtigen Umständen aus, um alles auszuschließen $7\,{\rm keV}$sterile Neutrino- Modelle mit warmer dunkler Materie , die derzeit das modernste WDM-Modell sind. Ein hinreichend überzeugender Nicht-Nachweis wäre nur sehr schwer mit normaler kalter dunkler Materie in Einklang zu bringen .

Einige zusätzliche Fußnoten in Form von disjunkten Absätzen:

Es lohnt sich, kurz die selbstinteragierenden Modelle der Dunklen Materie zu erwähnen. Wenn dunkle Materie sich selbst vernichten kann, dann könnten wir erwarten, dies zu sehen$\gamma$-Strahlen aus den Zentren der Halos. Einige (widersprüchliche!) Erkennungen wurden behauptet, aber wir müssen abwarten und sehen. Bei einigen Modellen wird erwartet, dass die stärkste Emission von massearmen, dunklen Halos kommt. Gammastrahlen, die aus dem "Nichts" kommen, wären ein ziemlich verräterisches Signal, wenn sie entdeckt würden.

Eine andere Variante von DM-Strukturen, die kleiner als ganze galaktische Halos sind, sind „dunkle Scheiben“. Genau so klingt es, eine Scheibe aus dichterer dunkler Materie, die ungefähr koplanar mit einer galaktischen Sternscheibe liegt. Die Leute haben argumentiert, dass die Milchstraße eines davon hat, und sogar ernsthaft argumentiert, dass es die Dinosaurier getötet hat . Ich bin (schamloser Stecker) ein Mitarbeiter an einem Papier, das bald erscheinen wird und argumentiert, dass das MW wahrscheinlich keine solche Festplatte hat, und dass selbst wenn es eine Festplatte gäbe, dies für Experimente, die versuchen, DM via zu erkennen, von geringer Bedeutung ist nuklearer Rückstoß . Ich weiß aber nichts über die Dinosaurier-Sache. Vielleicht sollte ich das Buch lesen ;)

Abschließend, sehr prosaisch, alle massereichen Galaxienhalos haben eine Unterstruktur aus dunkler Materie, die sie in Form kleiner Klumpen umkreist, aber alle entdeckten enthalten eine Zwerggalaxie. Dasselbe gilt für Galaxienhaufen, aber die Subhalos können ziemlich massive Galaxien (oder mehr Zwerge) beherbergen.