Ciemna materia: za i przeciw

Kosmologia realistyczna
Marek Kutschera
05 V 2009
IPJ
Age of Earth controversy
Kelvin vs Darwin (physics vs geology)
• Kelvin:
• Słońce i Ziemia
powstały
równocześnie
• Słońce wyświeca
energię termiczną
(efekt kontrakcji)
• Tej energii starczy na
30 mln lat
• Darwin:
• Erozja skorupy
ziemskiej wymaga co
najmniej 300 mln lat
• W takim czasie może
działać „ewolucja”
• Kelvin przekonywał, że geologowie w błędzie
– i wierzono mu!
• Darwin zwlekał z publikacją swojej teorii.
Realistyczne rozwiązanie
• Aston: m(4He)<m(4H)
• Eddington: ΔE=
(m(4H)-m(4He))c2
• Kelvin sądził, że zna pełną fizykę – założył,
że w Słońcu nie ma „paliwa”.
• REALISTYCZNA astro- i kosmofizyka:
oparta o twarde fakty empiryczne
• Droga odwrotna: przypadek Kelvina
ostrzeżeniem!
• Czy następne zdjęcia to
„szowinistyczny bariocentryzm”?
Model kosmologiczny ΛCDM
• Świecąca materia
zaledwie 0.5% masy we
Wszechświecie
• 99.5% masy
niewidoczne
• w tym 4% materii
barionowej
• 25% ciemnej materii
niebarionowej
• 70% energii próżni
wywierającej
antygrawitację
Gromady galaktyk: ciemna materia
– Gromada Coma: Zwicky 1933 - niewidoczna masa
– Optycznie: ponad 1000 galaktyk
– Obraz rentgenowski: gorący gaz T ~10keV
– Gromady Abella :
– tysiące galaktyk
– Zanurzone w obłoku gorącego gazu (rentgenowskiego)
• Najbliższa gromada Virgo: ponad 2000 galaktyk
– Gorący gaz w gromadach (T ~ 1-15 keV) „śledzi”
rozkład ciemnej materii
– Cisnienie gazu równoważone przez grawitację ciemnej
materii
Skład gromad galaktyk:
Masa gwiazd w gromadach: ~ 1%
Masa gorącego gazu: ~ 15%
Masa ciemnej materii: ~85%
Czy ciemna materia wystepuje w pojedynczych
galaktykach:
Eliptycznych?
Spiralnych?
– Romanowsky et al.
(2003) zbadali ruch
mgławic planetarnych
w galaktykach
eliptycznych
– niebieskie się zbliżają
– czerwone się oddalają
– Dynamicznie
„zmierzono” masę
– Dyspersja
prędkości spada
keplerowsko
– Dynamicznie
zmierzona masa
zgodna z masą
gwiazd
– Brak ciemnej
materii
– Czy ciemna materia wystepuje w galaktykach
spiralnych?
– Płaskie krzywe rotacji
• Mit płaskich krzywych
rotacji jako dowodu
obecnosci halo
ciemnej materii:
– Za mało świecącej
materii
– Gwiazdy w dysku
rotują za szybko!
– Co utrzymuje
galaktykę w całości?
• Najprostsza
odpowiedź: jest wiecej
materii nieświecącej
Dysk zanurzony w
ogromnym halo
„ciemnej zimnej
materii” zbudowanym
z hipotetycznych
cząstek
• neutralnych
• oddziałujących - jak
neutrina lub słabiej
• masywnych (100-10000
mas protonu)
Istnieją galaktyki spiralne w których
nie może być sferycznego halo
standard modelling
of rotation curves
NGC 4736 (M94)
luminosity
3 arcsec
Standard approach:
Velocity
velocity [km/sek]
[km/s]
Kent, 1987, AJ, 93, 816
input: luminosity profile
1. luminosity profile decomposition : central bulge + disk
2. mass densities assumed proportional to luminosities
3. the missing mass added in the form of the spherical dark halo
output: constant mass-to-light ratios
& the amount of missing mass
Our approach:
radius [kpc]
cutoff radius
(reduces the amount of dark matter)
input: rotation curve + mass distribution outside the cutoff radius
1. Global Disk Model + Iterative Spectral Method
output: the global mass distribution
( in perfect agreement with rotation curve )
& the mass-to-luminosity ratio profile
Not all galaxies are dominated by spherical mass distribution
sphericity test
the global disk model can be applied to these galaxies
rotation curves of many disk-like objects satisfy the sphericity condition, e.g.
 ( x) 

1
2 1  x

2 3/ 2
, V ( x) 
x
1  x 
2 3/ 4
,


d x xV ( x) 
2
3x 2
1  x 
2 5/ 2
0
convergence through iterations
rotation curves are not enough,
for completeness, additional data required:
e.g. hydrogen distribution in the remotest regions
1
2
A SAMPLE OF OUR RESULTS
1
3
the total mass: 34 billion of Solar masses
the global IR-band mass-to-light ratio: 1.2 in Solar units
Astronomers:
problems in fitting their model to observations
2/3 of total mass of the galaxy in the form of
Dark Matter
Our approach:
a consistent global mass distribution,
excellent reconstruction of rotation curve
Dark Matter?, maybe some
2
• Inni autorzy:
• Kuijken i Gilmore
1989:
– Nie ma znaczącej ilości
ciemnej materii w
dysku Naszej
Galaktyki w okolicy
Słońca
• Braun 1991:
• Galaktyka w Andromedzie (M31)
– Do 28 kpc nie potrzeba innego składnika, poza gwiazdami, do
wyjaśnienia krzywej rotacji
– Stosunek masa jasność w dysku, w filtrze niebieskim: 6.5 Msun/Lsun
Is there dark matter halo around our
Galaxy?
•
•
•
•
•
•
Saggitarius flow:
Tidally disrupted small galaxy
Debris fall into the Galaxy
3 times wraps around the Galaxy
Stars not dispersed in 1 billion years
Smooth gravitational field, incompatible with CDM
scenario of merging subhalos.
Ciemna materii w galaktykach
spiralnych – filar modelu
kosmologicznego
• Bez ciemnej
materii
obecny
model
kosmologiczny upada!
• Galaktyki spiralne w modelu są pierwotne
– Galaktyki eliptyczne powstają z połączenia spiralnych
– Gromady galaktyk powstają później jako skupiska
galaktyk już istniejących
• Galaktyki mogą powstać tylko dzięki ciemnej
materii:
– Fluktuacje promieniowania tła (COBE, WMAP,....)
ograniczają zaburzenia barionowe w chwili
rekombinacji do Δρ/ρ~10-5
– Takie zaburzenia bez ciemnej materii obecnie miałyby
amplitudę Δρ/ρ~10-2
CDSM 2008
– February 25, 2008
• Crystal bells stay silent as physicists look
for dark matter
– U.S. experiment retakes the lead in competitive
race
• Batavia, Ill.--Scientists of the Cryogenic Dark Matter
Search experiment today announced that they have
regained the lead in the worldwide race to find the
particles that make up dark matter. The CDMS
experiment, conducted a half-mile underground in a
mine in Soudan, Minn., again sets the world’s best
constraints on the properties of dark matter candidates.
– “With our new result we are leapfrogging the competition,”
said Blas Cabrera of Stanford University, co-spokesperson
of the CDMS experiment, for which the Department of
Energy’s Fermi National Accelerator Laboratory hosts the
project management. “We have achieved the world’s most
stringent limits on how often dark matter particles interact
with ordinary matter and how heavy they are, in particular
in the theoretically favored mass range of more than 40
times the proton mass. Our experiment is now sensitive
enough to hear WIMPs even if they ring the ‘bells’ of our
crystal germanium detector only twice a year. So far, we
have heard nothing.”
Realistic cosmology
• Do not repeat Kelvin mistake: do not pretend that
gravity known at large distances
• Take seriousely laboratory experiments:
– No flux of WIMPs etc. at Earth
– No stable non-baryons in accelerator experiments
Wszechświat barionowy
• Bez ciemnej materii struktury w ekspandującym
wszechświecie powstają znacznie wolniej –
Wszechświat znacznie starszy!
Obserwacje najdalszych galaktyk
• Nieoczekiwane wyniki poszukiwań najmłodszych
galaktyk 2002-2005: Hubble, VLT, Gemini,
Subaru, Spitzer
• Poszukiwane „baby galaxies” okazały
się„surprisingly matured”. Odkryto
–
–
–
–
–
populację starych galaktyk
„old, red and dead”
eliptycznych i spiralnych
bardzo masywnych (Droga Mleczna+)
z>3
Epoch, when we see the galaxies
time t(z) and from t(z) to t0 - now (billion years)
z
0
1
2
3
5
6
7
10
t(z)
13.7
6.0
3.4
2.2
1.2
0.9
0.8
0.5
t0-t(z)
0.0
7.7
10.3
11.5
12.5
12.8
12.9
13.7
• Błysk gamma z=8.2
• W modelu LambdaCDM to 600 mln lat po „bigbangu”
Rewizja teorii grawitacji?
– Najbardziej dotkliwe milczenie Wszechświata: w
zakresie fal grawitacyjnych!
– Caltech, Pasadena, January 2, 2008:
– On February 1, 2007, the Konus-Wind, Integral,
Messenger, and Swift gamma-ray satellites measured
a short but intense outburst of energetic gamma
rays originating in the direction of M31, the
Andromeda galaxy, located 2.5 million light-years
away.
• The burst had occurred along a line of sight that was
consistent with it originating from one of Andromeda's
spiral arms, and a binary coalescence event--the
merger of two neutron stars or black holes, for
example--was considered among the most likely
explanations. Such a monumental cosmic event
occurring in a nearby galaxy should have generated
gravitational waves that would be easily measured by
the ultrasensitive LIGO detectors.....
– During the intense blast of gamma rays, known as
GRB070201, the 4-km and 2-km gravitational-wave
interferometers at the Hanford facility were in
science mode and collecting data. They did not,
however, measure any gravitational waves in the
aftermath of the burst
Nowa składowa grawitacji?
• Anomalie Pioneerów 10 i 11
• „Flyby anomalies”
– Niewyjaśnione przyśpieszenia grawitacyjne, 10-8 –
10-4 cm/s2