Оглавление
Об иерархической концепции формирования галактик.
Чтобы понять механизм возможной связи между свойствами видимого и темного вещества, следует иметь некоторое представление о процессах формирования и эволюции галактик. В настоящее время принят так называемый иерархический сценарий формирования галактик. Согласно этому сценарию все объекты в нашей Вселенной были сформированы путем слияния структур темной материи во все большие и большие единицы. В модели Холодного Темного Вещества (CDM) основную массу сливающихся структур составляла небарионная бесстолкновительная материя, которая эволюционировала под действием гравитации из изначально гауссовского распределения первичных возмущений в линейные флуктуации, которые становились по амплитуде все больше и больше, после чего стали нелинейными и сменили расширение на сжатие, коллапс остановился, когда система вириализовалась. Темная бесстолкновительная материя была изначально перемешана с барионным веществом, которое эволюционировало вместе с ней. Когда коллапс темной составляющей остановился, барионное вещество продолжало коллапсировать, плотность его возросла, и стало возможным радиативное охлаждение, на этой стадии процесс ускорился, и барионы динамически отделились от темной составляющей, фрагментируя в самогравитирующих газовых комплексах внутри протогалактик. Гравитационный потенциал гало регулировал падение комплексов на центральные более плотные области системы. Приливной вращающий момент, происходящий из аккреции массы гало, <закручивал> облака таким образом, что они в зависимости от величины углового момента и от ряда других факторов, коллапсировали, формируя либо диск, либо сфероидальную компоненту. В центральных областях плотность достигала порога звездообразования, которое в последующее время стало играть большую роль в эволюции галактик.
С появлением численного моделирования стало возможным не только воссоздание процессов иерархического <скучивания>, но и удалось продвинуться в понимании структуры образовавшихся темных гало. Наиболее интересным свойством модельных гало, сформировавшихся путем иерархического слияния, является самоподобие: из моделирования следует, что профили плотности гало должны относиться к однопараметрическому семейству кривых (формы профилей плотности темных гало зависят от одного параметра - параметра концентрации, а остальные параметры определяют масштаб кривой &rho(x)).
Вид профиля был получен в работах Navarro, Frenk & White (NFW) и имеет следующий вид:
где Mvir и Rvir - вириальные масса и радиус, x - нормированная радиальная координата x = r/Rvir , c- параметр концентрации, а g=[ln(1+c)-c/(1+c)]-1.
Иерархический сценарий, как и любая другая концепция, имеет свои плюсы и минусы. Одним из важнейших достижений этой концепции является успешная симуляция наблюдаемого распределения галактик (см. рисунок 3, V. Springel, C. S. Frenk, S. D. M. White (2006)).
Рис. 3: Сопоставление наблюдаемого распределения галактик, полученного в спектроскопических обзорах красных смещений (верхний и левый сектора) с результатами космологического моделирования (правый и нижний сектора) V. Springel, C. S. Frenk, S. D. M. White (2006).
В пользу иерархического сценария также свидетельствует работа Abadi et al (2006), в которой с помощью космологического моделирования удалось воспроизвести такую структуру, как протяженное звездное гало, наблюдаемое вокруг галактик. Косвенное подтверждение справедливости иерархического сценария можно найти также в статье Aparicio, Tikhonov и Karachentsev (2000), где на примере карликовой неправильной галактики DDO187 проверяется следствие иерархического сценария, заключающееся в том, что в карликовых галактиках, как в первичных объектах, должно быть старое звездное население, распределенное в протяженной составляющей. Авторы, однако, говорят о том, что для подтверждения их выводов требуются дополнительные наблюдения.
Несмотря на то, что космологическое моделирование позволило получить крупномасштабную структуру Вселенной, согласующуюся с наблюдениями, на масштабах, сопоставимых с масштабами галактик, иерархическая концепция наталкивается на ряд противоречий. Ряд выводов, следующих из этой концепции, не подтверждаются наблюдениями. Одно из противоречий заключается в несоответствии формы реального профиля плотности гало теоретически предсказанному (профилю NFW). Распределение плотности, следующее из теории, имеет центральный пик, в то время как профиль плотности, следующий из наблюдений, скорее имеет вид псевдоизотермической сферы с ядром постоянной плотности в центре (рисунок 4 иллюстрирует соответствующее расхождение наблюдаемой и модельной кривой вращения на примере галактики DDO 47).
Рис. 4: Сопоставление наблюдаемой кривой вращения DDO 47 с модельными. Сплошной линией показана модель, включающая псевдоизотремическое гало с ядром и звездный диск. Пунктиром обозначена кривая, соответствующая модели: гало NFW + звездный диск. Gentile et al (2005).Из рисунка явно видно, что модель NFW плохо согласуется с наблюдениями.
Это противоречие было подтверждено в работах целого ряда авторов (см., например, Spano et. al. (2008), de Blok et al (2008), Trott, Webster (2002), Plana et al (2009), Burkert (1997), Salucci, Martins (2009) и др.). Возможность того, что наблюдаемый профиль плотности гало не соответствует модельному вследствие неопределенностей в разделении кривой вращения на компоненты, может быть с уверенностью отвергнута, поскольку теоретически предсказанный профиль не согласуется даже с профилями плотности, полученными при предположении о пренебрежимо малом вкладе диска (в случае карликовых и LSB галактик). Подтверждение этому выводу можно найти в следующих работах: Cote, Carignan, Freeman (2000), где производится моделирование массы карликовых галактик, и в статье Rachel Kuzio de Naray, Stacy S. McGaugh, W.J.G. de Blok (2008), в которой моделируются кривые вращения LSB галактик. Рядом авторов также были исследованы возможные модификации, которые привели бы к лучшему соответствию между модельными и наблюдаемыми кривыми вращения. В частности, в работе Chiara Tonini (2009) в ходе моделирования динамических свойств гало в фазовом пространстве было выявлено, что в результате взаимодействия между темным гало и барионным веществом может произойти изменение формы профиля гало, а именно превращение центрального пика в ядро. Стоит отметить, что противоречие наблюдений и космологического моделирование не сводится только лишь к расхождению поведения центральных областей профилей плотности. Как было показано в статье McGaugh et al (2007), модель CDM предсказывает плотности гало, которые в принципе больше реально наблюдаемых. Авторы пришли к такому выводу, исходя из сопоставления вкладов темного гало в кривые вращения, полученных на средних радиусах со значениями, следующими из моделирования CDM.
Помимо трудностей с распределениями массы темного гало в галактиках, у иерархических моделей есть и другие расхождения с наблюдениями. К ним относится проблема числа карликовых спутников - иерархический сценарий предсказывает слишком большое количество карликовых галактик - спутников, по сравнению с тем, что реально наблюдается. Также из космологических моделей следует низкий угловой момент барионной материи (т.е. газа, из которого формировались звездные компоненты галактик), и соответственно слишком маленькие размеры дисков галактик по сравнению с наблюдениями, и ряд других проблем.
Знание сценария формирования галактик, несомненно, поможет нам продвинуться в понимании возможных связей между свойствами темного гало и видимого вещества. Ведь если эти связи действительно присутствуют, то их источник нужно искать именно в процессах совместной эволюции видимого и темного вещества. Однако стоит помнить о том, что иерархическая концепция имеет ряд проблем с интерпретацией наблюдений и требует модификации, поэтому нужно рассматривать ее как некоторый <рабочий> вариант концепции формирования галактик.
|
Публикации с ключевыми словами:
темная материя - галактики
Публикации со словами: темная материя - галактики | |
См. также:
Все публикации на ту же тему >> | |
