Grupo de balas y MOND

ΛCDM no entra en Bullet Cluster. Lo que tenemos es la siguiente contabilidad:

• Podemos medir la masa del medio intracluster caliente. Este gas tiene millones de kelvins y, por lo tanto, brilla de manera predecible en rayos X. Al medir las emisiones de rayos X, sabemos cuánto gas hay. Llama esto$M_\mathrm{gas}$.
• Podemos medir la masa de las estrellas en las galaxias. Esto se hace midiendo la salida de luz total y usando nuestros modelos de cuán luminosas son las estrellas en función de la masa. Llama esto$M_\mathrm{stars}$. Nota$M_\mathrm{stars} \ll M_\mathrm{gas}$.
• Podemos medir la masa gravitacional total a través de lentes. Cuanta más luz se dobla, más cosas deben estar doblando la luz. Llama esto$M_\mathrm{tot}$.

Esto lleva al siguiente problema:$M_\mathrm{gas} + M_\mathrm{stars} \ll M_\mathrm{tot}$. En realidad, solo hay dos soluciones al problema:

1. Al menos una de nuestras medidas de masa está muy equivocada. Esto incluye tener malos datos y también tener malas teorías con las que interpretar los datos y extraer una masa.
2. Hay otra categoría de masa que no hemos tenido en cuenta.

La opción (1) es el tipo de cosa que salta a la vista la primera vez que surge una medida extraña. Pero los datos se han verificado mucho y no estamos usando nada demasiado sofisticado para llegar a las masas. En particular, ΛCDM no entra en los cálculos. Esto deja (2).

Entonces, la única pregunta es "¿La masa que falta es bariones normales que por casualidad son difíciles de detectar, o es material no bariónico (que, por lo tanto, es naturalmente difícil de detectar electromagnéticamente)?" La verdadera fuerza del Bullet Cluster son las siguientes observaciones adicionales:

• La masa de gas contabilizada$M_\mathrm{gas}$es consistente con un fluido que experimenta presión. En particular, incluso cuando las galaxias se cruzan entre sí en una colisión de cúmulos, las nubes de gas circundantes colisionarán y se detendrán en el medio.
• La distribución de$M_\mathrm{tot}$es diferente a la de$M_\mathrm{gas}$. En particular, parece coincidir con$M_\mathrm{stars}$. Es decir, la masa que falta se comporta como un fluido sin presión.

Una cantidad tan grande de bariones en fase gaseosa no podría estar sin presión; chocarían entre sí como chocaban los cúmulos. Las estrellas son bariones sin presión a estas escalas (nuevamente, las estrellas esencialmente nunca chocan entre sí, incluso cuando chocan las galaxias), pero no podemos pensar en ninguna forma de tener tanta masa atada a las estrellas sin un impulso significativo para las galaxias. luminosidades. Una vez que tenga el material equivalente a una estrella en un solo lugar, brillará como una estrella.

Por otro lado, podríamos decir que parece haber algo de materia no bariónica en el sistema, con una masa unas cinco veces mayor que la de los bariones observados. Resulta que esta es exactamente la cantidad de materia no bariónica necesaria en ΛCDM para explicar los BAO y el espectro de potencia CMB. Es el notable acuerdo del modelo cosmológico ΛCDM con las observaciones independientes de Bullet Cluster (así como las curvas de rotación galáctica y la cinemática de las galaxias en cúmulos) lo que lleva a muchos a confiar en la existencia de materia oscura.

El primer artículo que miré ( Paraficz et al. 2012 ) explica que la masa de gas caliente se determina a partir de observaciones de rayos X. El flujo de rayos X de un gas ópticamente delgado depende del cuadrado de la densidad del gas multiplicado por su volumen [Específicamente:$f_x = A(T) n_{e}^2 V/4\pi d^2$, dónde$A(T)$es la conocida función de enfriamiento radiativo y$T$proviene del espectro de rayos X,$V$El volumen,$n_e$la densidad del número de electrones y$d$la distancia.] - si puedes medir$f_x$luego estimar el volumen se obtiene la densidad y también la masa del gas. Algunos detalles para el análisis de las observaciones de rayos X de Chandra del cúmulo Bullet se encuentran en Close et al. (2006) , incluyendo cómo modelan la geometría de los diversos componentes. Llegan a la conclusión de que su estimación de masa de gas es buena al 10 por ciento.

Las masas de las galaxias individuales se estiman modelando sus luminosidades a través de las relaciones de escala de Faber-Jackson o (para espirales) Tully-Fisher (ver también aquí ). Estos dan la masa total de la galaxia, que incluiría la materia oscura. Para estimar solo la masa bariónica, solo se usa la relación masa a luminosidad para el material estelar bajo el supuesto de que la mayor parte de la materia bariónica son estrellas (se podría hacer una pequeña corrección para el gas, el polvo, etc.).

Es sobre esta base que se afirma que el gas emisor de rayos X contiene una cantidad de masa similar a la asociada con las galaxias individuales. Si esas galaxias tienen halos de materia oscura no bariónica que dominan su masa total (lo que parece probable a menos que tengan proporciones de luminosidad a masa extraordinariamente bajas), entonces creo que esto lleva a afirmar que alrededor del 90 por ciento de la masa bariónica está en la X. -gas emisor de rayos. Si uno es escéptico sobre la materia oscura y no confía en las relaciones de escala de FJ y TF, entonces supongo que simplemente toma la luminosidad de las galaxias individuales, la convierte en una masa estelar y llegaría más o menos a la mismo número.

Para el Bullet Cluster, la lente gravitacional revela que las galaxias más el gas caliente solo representan el 20 por ciento de la masa total del cúmulo (9 por ciento en gas caliente, 11 por ciento en galaxias) y, por lo tanto, que el 89 por ciento de la masa total es no en las galaxias y que sólo una pequeña fracción de este está en forma de gas bariónico caliente.

Ofrece fuerte evidencia de que la masa no contabilizada (suponiendo un escenario de tipo de masa faltante) se comporta más como las estrellas (es decir, como un gas sin colisión) que como el gas y el polvo contabilizados (que exhiben un grado de viscosidad).

Por otro lado, si está tratando de desarrollar una teoría similar a MOND, lo deja tratando de argumentar que los términos de corrección del comportamiento de la gravedad son diferentes para las estrellas que para el gas viscoso y el polvo, a pesar de los dos. distribuciones que tienen aproximadamente la misma escala lineal.

No creo que las teorías que no son de materia oscura estén completamente hundidas por esta observación, pero la naturalidad (algo que tengo la sensación de que impulsa al menos parte del interés en evitar la materia oscura) comienza a parecer un poco forzada.

MOND lo hace extremadamente bien para las galaxias espirales ($10^{10}-10^{12} M_0)$en el cálculo con la velocidad tangencial medida en función del radio. MOND tiene una constante$a_0=2 \times 10^{-8}{{cm}\over{sec^2}}$se utiliza para todas las galaxias y utiliza la bariónica medida dentro del radio para el que se calcula la velocidad. MOND produce la relación bariónica de Tully-Fisher que está en espeluznante concordancia con la velocidad de aplanamiento frente a la masa bariónica.

MOND también explica la velocidad de dispersión de las estrellas vistas en las galaxias enanas ($10^6 - 10^9 M_0$), en galaxias elípticas y posiblemente en cúmulos globulares aislados ($10^3-10^5 M_0$).

Se dice que MOND falla en cúmulos de galaxias ($10^{13}-10^{15}M_0$) porque predice una masa invisible que falta que es aproximadamente igual a la masa visible del cúmulo. La masa visible se mide por rayos X como ~90% gas y por luz ~10% estrellas. Newton predice la masa faltante ("materia oscura") que es ~100 veces la masa visible del cúmulo.

Además, los contornos de masa de Bullet Cluster de lentes gravitacionales débiles de galaxias de fondo abarcan una región sin masa visible (excepto las estrellas que son una minoría de la masa visible). El gas se detuvo en la colisión. Claramente, hay "materia oscura" que no interactúa en Bullet Cluster.

Sin embargo, si llena el espacio de fase de un cúmulo galáctico (hasta ~megaparsec, 1000 km/seg) con una distribución de neutrinos de Fermi Dirac (3 generaciones) y todos los neutrinos tienen ~1-2 eV de masa, entonces esto sería explicar la masa perdida invisible predicha por MOND. Esto está por debajo del límite de masa de neutrino electrónico medido actualmente de 2,2 eV. KATRIN pronto comenzará una medición de masa más sensible hasta 0,2 eV. Las mediciones de CMBR con el paradigma DM desfavorecen fuertemente una masa de neutrino tan grande. Existe la posibilidad de que los resultados de KATRIN sean emocionantes.

También señala que la velocidad de colisión de los dos cúmulos es muy grande (~3000 km/s según lo determinado por el choque de gas observado). Si solo deja que los dos grupos en reposo (con todo su DM inferido por Newton) caigan juntos bajo la gravedad de Newton desde el infinito, alcanzarían una velocidad de colisión de <2000 km/seg. Por lo tanto, las nubes de gas iniciales que formaron los cúmulos deben comenzar con una gran velocidad apuntándose entre sí. Este es un evento improbable que hará$\Lambda CDM$progresivamente más improbable si se encuentran más pares de cúmulos de alta velocidad de colisión. La ley de fuerza MOND, que es más fuerte que Newton en radios grandes, predice la gran velocidad de colisión.