Astro2010: Исследование темной материи в ближайшие 10лет оптическими методами

[Nikolaj]

arXiv:0902.2963: Структуры темной материи во Вселенной: перспективы оптической астрономии на ближайшее десятилетие (Dark Matter Structures in the Universe: Prospects for Optical Astronomy in the Next Decade)

Авторы: P. J. Marshall, M. Auger, J. G. Bartlett, M. Bradaˇc, A. Cooray, N. Dalal,
G. Dobler, C. D. Fassnacht, B. Jain, C. R. Keeton, R. Mandelbaum,
M. A. Strauss, L. A. Moustakas, J. A. Tyson, D. Wittman, S. A. Wright

Submitted to the 2010 Astronomy & Astrophysics Decadal Survey panel


Темная материя необходима для объяснения плоских кривых вращения внешних регионов галактик; темная материя играет важную роль для формирования и роста галактик, наконец, темная материя наблюдается при столкновениях галактик.

Основные вопросы: как происходило формирование дисков галактик и рост балджей внутри гало из темного вещества? Насколько точно космологическая модель с холодной темной материей (CDM) предсказывает структуру темных гало? Сможем ли мы разделить влияние темной материи и действие гипотетической новой физики (отклонений от теории относительности)? Что представляет собой само темное вещество?

Основным астрофизическим инструментом исследования темной материи (на больших красных смещениях) остаётся гравитационное линзирование.

В качестве примера:
На рисунке – разделение темной материи (синий цвет) и обычного “светящегося” вещества (красный цвет) при столкновении двух скоплений галактик (Bullet cluster, 1E0657-56).
Карта распределения темного вещества построена по анализу слабого грав.линзирования фоновых галактик, обычное вещество – горячая плазма по данным рентгеновских наблюдений.

Количество подобных скоплений и качество изображений (более детализированное) планируют резко увеличить в результате оптических обзоров ~10^4кв.град неба в проекте поиска далеких сверхновых (для исследования темпа расширения Вселенной и влияния темной энергии) JDEM (http://jdem.gsfc.nasa.gov/), начало работы ~2015г;  и с помощью LSST (http://www.lsst.org/lsst ) - 8,4метрового оптического телескопа с полем зрения 9,6 кв.град (за одну ночь планируется получать около 30 терабайт данных), ввод в эксплуатацию – 2015г.

Данные проекты позволят изучать слабое гравитационное линзирование скоплений галактик на красных смещениях z~1 и дальше.

Сейчас известно ~200 сильно линзированных далеких галактик (которые ищут вблизи относительно близких массивных скоплений галактик). С помощью JDEM число таких галактик увеличат до ~10^5шт.

Эти данные позволят строить профили плотности темного вещества в скоплениях галактик и на больших расстояниях от отдельных галактик; изучая различия статистики профилей на разных красных смещениях, можно понять их эволюцию. 

http://arxiv.org/abs/0902.2963
http://www8.nationalacademies.org/astro2010/publicview.aspx
 

[Nikolaj]

На роль темной материи претендуют большое количество неизвестных элементарных частиц, являющихся расширением Стандартной Модели в физике.

Все эти частицы (WIMP, суперсиметричные расширения уже известных частиц (например, фотино, гравитино), различные виды нейтрино, нейтралино и т.д.) хорошо согласуются с наблюдаемыми проявлениями темной материи.

Одним из критериев “отсева” кандидатов является рост крупномасштабной структуры и отдельных галактик в ранней Вселенной.
Для этого проводят сравнение моделируемых и наблюдаемых картин роста структуры при участии разных типов частиц темной материи.

На рисунке – пример моделирования роста структур на z~15 (на масштабах, меньших, чем галактики) при наличии стандартной холодной темной материи (CDM) – слева и при теплой темной материи (с энергией частиц 3кэВ) – справа. Видно, что во второй модели образование маломассивных объектов происходит хуже.

Гипотеза “классических” WIMPs (суперсимметричные слабо взаимодействующие массивные частицы) довольно успешно объясняет наблюдаемые свойства структур (галактик и их скоплений) на масштабах от размера видимой Вселенной до масштабов ~1Мпк и даже, возможно, до ~100кпк.

Собственно, для этого необходимо обнаруживать и исследовать большое количество далеких гравитационных линз-галактик в проектах типа JDEM и в исследованиях телескопов JWST (ИК космический телескоп им. Джеймса Вебба) и LSST.

http://arxiv.org/abs/0902.3219