Введение

Теоретическая космологическая структура

В современных моделях физической космологии гало темной материи является базовым элементом космологической структуры. Это гипотетический регион, отделившийся от космического расширения и содержащий гравитационно связанное вещество. Одно гало темной материи может содержать множество вируализованных сгустков темной материи, связанных гравитацией, известных как субало. Гало темной материи галактики окружает галактический диск и простирается далеко за пределы видимой части галактики. Считается, что гало состоят из темной материи, однако они не были непосредственно наблюдаемы. Их существование выводится из наблюдений их влияния на движение звезд и газа в галактиках, а также из эффекта гравитационного линзирования. Гало темной материи играют ключевую роль в современных моделях формирования и эволюции галактик. Теории, стремящиеся объяснить природу гало темной материи с разной степенью успеха, включают холодную темную материю (CDM), теплую темную материю и массивные компактные объекты в гало (MACHO).

Кривые вращения как доказательство гало темной материи

Наличие темной материи (ТМ) в гало выводится из ее гравитационного влияния на кривую вращения спиральной галактики. Без значительного количества массы в пределах (приблизительно сферического) гало, скорость вращения галактики уменьшалась бы с увеличением расстояния от галактического центра, подобно тому, как орбитальные скорости внешних планет уменьшаются с расстоянием от Солнца. Однако наблюдения спиральных галактик, в особенности радиоизмерения линейного излучения нейтрального атомарного водорода (известного в астрономической терминологии как 21-сантиметровая водородная линия, H I и линия H I), показывают, что кривые вращения большинства спиральных галактик выравниваются, то есть скорости вращения не уменьшаются с расстоянием от галактического центра. Отсутствие видимой материи, способной объяснить эти наблюдения, указывает либо на существование ненаблюдаемой (темной) материи, впервые предложенной Кеном Фрименом в 1970 году, либо на неполноту теории движения под действием гравитации (общей теории относительности). Фримен заметил, что ожидаемого снижения скорости не наблюдалось в галактиках NGC 300 и M33, и предположил, что это связано с наличием не обнаруженной массы. Гипотеза о темной материи была подтверждена многочисленными исследованиями.

Формирование и структура гало темной материи

Считается, что формирование гало темной материи сыграло ключевую роль в раннем образовании галактик. Во время начального формирования галактик температура барионной материи, вероятно, была слишком высокой для образования гравитационно связанных объектов, поэтому требовалось предварительное формирование структуры темной материи, чтобы обеспечить дополнительные гравитационные взаимодействия. Современная гипотеза основана на холодной темной материи (ХТМ) и ее формировании структур на ранних этапах существования Вселенной. Гипотеза формирования структур ХТМ начинается с возмущений плотности во Вселенной, которые растут линейно до достижения критической плотности, после чего они перестают расширяться и коллапсируют, формируя гравитационно связанные гало темной материи. Аналитическую модель формирования и роста таких гало описывает сфера коллапса. Эти гало продолжают увеличиваться в массе (и размере) либо за счет аккреции вещества из окружающего пространства, либо в результате слияния с другими гало. Численное моделирование формирования структур ХТМ показывает следующее: небольшой объем с небольшими возмущениями изначально расширяется вместе с расширением Вселенной. Со временем возмущения меньшего масштаба растут и коллапсируют, образуя небольшие гало. На более позднем этапе эти небольшие гало сливаются, формируя единое вириализованное гало темной материи эллипсоидальной формы, внутри которого наблюдается некоторая подструктура в виде подгало темной материи.

Форма

Крах областей повышенной плотности в поле космической плотности обычно носит не сферическую форму. Поэтому нет оснований ожидать, что образующиеся гало будут сферическими. Даже самые ранние симуляции формирования структуры во Вселенной CDM подчеркивали значительную сплюснутость гало. Последующие исследования показали, что поверхности равной плотности гало можно описать эллипсоидами, характеризующимися длинами их осей. Из-за неопределенностей как в данных наблюдений, так и в теоретических предсказаниях, до сих пор неясно, согласуются ли формы гало, полученные из наблюдений, с предсказаниями космологии ΛCDM.

Гало темной материи Млечного Пути

Видимый диск Галактики Млечный Путь, как считается, погружен в гораздо более крупный, приблизительно сферический ореол темной материи. Плотность темной материи убывает с увеличением расстояния от галактического центра. В настоящее время принято считать, что около 95% галактики состоит из темной материи – типа материи, которая, по-видимому, не взаимодействует с остальной материей и энергией галактики иным способом, кроме гравитационного. Светящаяся материя составляет приблизительно 9 солнечных масс. Ореол темной материи, вероятно, содержит от 6 до 3 солнечных масс темной материи. Анализ движения звезд, выполненный в 2014 году методом Джинса, рассчитал плотность темной материи (на расстоянии Солнца от центра галактики) = 0,0088 (+0,0024 −0,0018) солнечных масс на парсек в кубе.