Wie kann Dunkle Materie ohne Kollisionen oder Strahlung kollabieren?

Ich verstehe, dass dunkle Materie offensichtlich nicht zu dichten Objekten wie Sternen kollabiert, weil sie nicht wechselwirkt oder strahlt und daher beim Kollaps keine Energie verlieren kann. Aber warum bildet es dann galaktische Halos? Ist das nicht auch ein Beispiel für Gravitationskollaps?

Danke für die nette Frage, sie ist zeitlich gut abgestimmt, denn die Beantwortung war hilfreich für meine Bemühungen, für meine Qualifikations-/Umfangs-/Kandidaturprüfung zur Promotion zu lernen, die nächste Woche ansteht :)

Antworten (1)

Die Antwort kommt aus dem Virialsatz, der aus den Jeans-Gleichungen abgeleitet werden kann , die das Äquivalent der Euler-Gleichungen der Fluiddynamik für kollisionsfreie Teilchen (dh dunkle Materie) sind. Der Virialsatz gilt übrigens auch für eine ideale Flüssigkeit. Für eine Herleitung siehe Mo, van den Bosch & White 2010 (oder sicher viele andere Texte). Der Satz lautet:

1 2 d 2 ich d t 2 = 2 K + W + Σ

ich ist das Trägheitsmoment, K ist die kinetische Energie des Systems, Σ ist die Arbeit durch jeden äußeren Druck und W ist die Gravitationsenergie des Systems (wenn externe Massen bei der Berechnung des Potentials vernachlässigt werden können).

Wenn Σ vernachlässigbar ist (wie es beim Zusammenbruch von DM-Haloes der Fall ist), dann ein System, das hat 2 K < − W wird eine dynamische Entwicklung durchlaufen, die eine Zunahme antreibt ich , oder mit anderen Worten, das System zieht sich zusammen. Wenn der Zusammenbruch aufhört und eine quasistabile Struktur entsteht 2 K ∼ − W .

Um das etwas weniger technisch zusammenzufassen: Das Fehlen von Dissipation (zB Strahlungskühlung oder Kollisionen zwischen Teilchen) bedeutet nicht, dass es nicht zu einem Kollaps kommen kann. Die Dynamik eines kollisionsfreien Systems wird durch die Jeans-Gleichungen beschrieben, und diese Gleichungen ermöglichen einen Kollaps, bis eine Virialisierung auftritt.

Der Unterschied zum Gas, das zu einem Stern kollabiert, besteht darin, dass Strahlung Energie wegtragen kann, sodass sich das System auflösen kann K und kollabieren noch länger. Im Fall eines Sterns setzt sich der Kollaps fort, bis die Druckunterstützung ausreicht, um ihn zu stoppen.

Du solltest es wissen - warst du das heute Morgen auf arXIv?
@RobJeffries Ja, das war ich :) Es ist eine kleine Welt! Meine Reaktion war in der Tat „Oh, das sollte ich wirklich wissen!“, obwohl ich am Ende doch nach einem Buch greifen musste.
Gute Antwort. Ich wollte nur hinzufügen, dass es zusätzliche Entspannungsprozesse gibt, die einem Halo zum Kollabieren verhelfen. Beispielsweise werden einige Partikel aus dem System ausgestoßen, auf Kosten der Verringerung der Energie anderer Partikel. Außerdem gibt es die Landau-Dämpfung, bei der Teilchen, die eine Dichtewelle (von einer Störung des Systems, z. B. bei Verschmelzungen) mit einer Geschwindigkeit, die mit der der Welle vergleichbar ist, überholen, eine Nettoenergieübertragung auf die Welle haben.
„Die Dynamik eines kollisionsfreien Systems wird durch die Jeans-Gleichungen beschrieben, und diese Gleichungen ermöglichen einen Zusammenbruch, bis eine Virialisierung eintritt.“ Nur um Ihren Wortlaut zu verdeutlichen, sagen Sie hier, wann K < − 2 W , gehorcht das System den Jeans-Gleichungen, aber nicht dem Virialtheorem, und dass "Virialisierung auftritt", wenn K = − 2 W ? Ist Ihre Antwort deshalb mit der Ableitung von John Baez hier kompatibel , in der er annimmt, dass ein Ball aus idealem Gas dem Virialsatz gehorcht und zeigt, dass eine Volumenabnahme immer eine Abnahme der Entropie bedeuten würde?
@Hypnosifl Ich bin mir nicht sicher, was du fragst ... Ich behaupte, wann K < − 2 W das System gehorcht sowohl den Jeans-Gleichungen als auch dem Virialsatz, und tatsächlich können wir anhand des Virialsatzes am leichtesten erkennen, dass das DM kollabieren muss. Ich würde zustimmen, dass "Virialisierung auftritt", wenn K = − 2 W , aber dies unterscheidet sich von der Befolgung des Virialsatzes, der auch befolgt wird, wenn K ≠ − 2 W , und treibt die Entwicklung von an ich bis zur Virialisierung.
Hinweis Ich hatte meinen Faktor 2 an der falschen Stelle - habe das korrigiert!
Verstanden, ich habe fälschlicherweise angenommen, dass "virialisiert" gleichbedeutend mit der Einhaltung des Virialsatzes ist. Aber hoffentlich verstehe ich richtig, dass der Grund, warum Baez' Ableitung den Kollaps dunkler Materie nicht ausschließt, darin besteht, dass seine Analyse davon ausgeht, dass die Partikelwolke virialisiert wurde, während es kurz nach dem Urknall viele Regionen dunkler Materie gab 2 K < − W so dass diese Regionen nicht virialisiert waren und die Jeans-Gleichungen vorhersagen würden, dass sie dazu neigen würden, bis zu kollabieren 2 K = W und sie wurden virialisiert.
@Hypnosifl Ja, zumindest verstehe ich das.
Gilt dies für masselose Teilchen? Behauptet dies, dass die Dichte der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundphotonen in der Nähe von Galaxien größer ist?
@PPenguin nein und nein.
Wo bricht das Virialargument zusammen? Der Spannungs-Energie-Tensor für masselose Teilchen ist nicht Null, also interagiert er immer noch über die Schwerkraft. Warum reicht diese Gravitationswechselwirkung nicht aus, wenn sie für dunkle Materie ausreicht? Warum würde das Gas aus Photonen nicht zu einem Halo kollabieren, wenn dunkle Materie nur mit Gravitationswechselwirkungen zu einem Halo kollabieren kann?
@PPenguin Nun, die Formulierung ist nicht relativistisch, daher würde ich erwarten, dass dies zunächst ein Problem darstellt. Dann nehme ich an, dass es ziemlich schwierig ist, damit ein Photonengas herzustellen 2 K < − W , ich vermute, Sie würden normalerweise haben 2 K >> − W , in diesem Fall würde sich das System ausdehnen und die Photonen würden auseinanderfliegen.
Was meinst du mit "auseinanderfliegen"? In was auseinanderfliegen? Ich dachte, Sie würden ein Universum beschreiben, das mit einem kollisionsfreien Gas aus Partikeln gefüllt ist, die mit der Schwerkraft interagieren und einige kleine anfängliche Schwankungen in der Dichte aufweisen. Wikipedia lässt es so klingen, als würde das Virialtheorem unter Einbeziehung relativistischer Teilchen nur modifiziert, wobei sich das Verhältnis 2<T>/<V> von 1 auf 2 ändert, wobei 2 an der Grenze ultrarelativistischer (Neutrinos) oder masseloser Teilchen liegt.
in eine separate Frage verschoben: physical.stackexchange.com/questions/327992/…
Warum ist die Gravitationsenergie negativ? Zeigt das einen Kollaps an?
@ Rick meinst du das -W? Es gibt eine übliche Konvention, dass das Gravitationspotential so definiert ist, dass es sich 0 nähert, wenn die Entfernung gegen unendlich geht, und dass es bei engeren Abständen abnehmen muss, damit das Konzept der Energie Sinn macht. Sie können eine beliebige Konstante im Unendlichen wählen, da sich die Physik nur um Potentialunterschiede kümmert (nicht um ihre absolute Normalisierung), aber 0 ist in vielen Situationen praktisch, wie in der obigen Diskussion.
Wie kann Dunkle Materie ohne Kollisionen oder Strahlung kollabieren?
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