18
Extragalac)c Astronomy Lecture 10: DARK MATTER

ExtragalaccAstronomy - privatelaw.uct.ac.za › sites › default › files › image_tool › image… · DARKMATTER:definion WecallDARKMATTERanyformof maerthatdoesn’temitanydetectable

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

  • Extragalac)c  Astronomy  

    Lecture  10:  DARK  MATTER  

  • DARK  MATTER  -‐  HISTORY  

    •  1933:  Zwicky  studied  the  dynamics  of  the  Coma  cluster.    Virial  theorem  implies  that  the  mass  is  4X  larger  than  the  sum  of  the  individual  galaxy  masses.  

    •  1937:  Smith  studied  the  dynamics  of  the  Virgo  cluster.  Same  conclusion  

    •  1972:  Freeman  analyzed  the  HI  rota)on  curve  of  NGC  300.  He  found  that  there  is  as  much  dark  maXer  than  visible  maXer    

  • DARK  MATTER  -‐  history  

  • DARK  MATTER  

    There  is  no  reason  to  suppose  that  every  types  of  maXer  in  the  Universe  emit  detectable  photons:  1.  No  reason  why  the  different  processes  of  SF  would  not  

    have  produced  a  large  number  of  stars  with  M*  <  0.08  Msun  

    2.  If  it  was  not  of  the  spin  transi)on  of  H  at  21  cm,  we  would  not  know  about  10%  of  the  visible  mass  in  spirals  

    3.  Dust  in  galaxies  was  discovered  because  the  size  of  the  grains  happen  to  be  of  the  same  order  as  the  visible  light  (light  was  not  only  absorbed  but  reddened)  

  • DARK  MATTER  

    Ø Mass  is  not  correlated  with  light  

    95%  light  M*  >  Msun  

    Ø Solar  neighborhood        

    95%    mass  M*  <  Msun  

  • DARK  MATTER:  defini)on  

    We  call  DARK  MATTER  any  form  of  maXer  that  doesn’t  emit  any  detectable  photon  at  any  wavelength  (γ-‐rays,  X-‐rays,  UV,  visible,  IR,  radio,  …)  of  the  electromagne)c  spectrum  but  of  which  the  existence  is  deduced  by  its  gravita)onal  effects.  

  • DARK  MATTER  

    Ø White  dwarfs:  while  a  large  number  may  have  cooled  so  that  they  are  now  invisible,  they  cannot  cons)tute  the  dark  maXer  since  we  can  deduce  their  presence  by:  

    1.  The  study  of  the  density  of  white  dwarfs  wrt  the  MS  stars  in  the  solar  neighborhood  

    2.  With  the  aid  of  the  theories  of  stellar  evolu)on  3.  With  the  aid  of  the  SF  history  in  our  neighborhood  

  • DARK  MATTER  in  Spirals  •  In  the  inner  regions,  visible  maXer  (gas  &  stars)  can  explain  the  rota)onal  veloci)es  

    •  At  the  edge  of  the  stellar  disk,  visible  maXer  and  dark  maXer  contribute  almost  equally  to  the  veloci)es  

    •  In  the  outer  regions,  the  mass  is  totally  dominated  by  dark  maXer  

  • DARK  MATTER  in  dwarfs  

    •  Dark  maXer  halo  dominates  at  all  radii  

    •  There  is  even  more  luminous  mass  in  gas  than  in  stars  

    •  Dark  maXer  contributes  to  90%  of  the  mass  

  • DARK  MATTER  in  clusters  

    •  NGC  2300  (X-‐rays)  

    •  X-‐rays:  hot  gas  

    •  Hot  gas  should  dissipate  

    •  Confine  in  the  center  by  dark  maXer  

  • DARK  MATTER  Type of object Size Ratio

    (M/L) % of dark matter

    Solar neighborhood 100 pc 3-5 33%

    Spirals 30-50 kpc 10-20 50-90%

    Binary systems 50-100 kpc 20-30 90%

    Groups 0.5-1.5 Mpc

    50-150 95%

    Clusters 1-5 Mpc 200-500 99%

  • Mass  budget  

    Ωtotal = 1 (inflation) Ωdark energy = 0.73

    Ωmatter = 0.27 Ωbaryons = 0.044

    Ωnon-baryonic = 0.23

  • Candidates  for  DM  

  • Mass  budget  

    •  In  galaxies  (Fukugita  2004,  IAU  220):  •  Ω (stars) = 0.0025 •  Ω (HI & He) = 0.00062 •  Ω (H2) = 0.00016

    •  Ω (galaxies) = 0.0033 •  Ωgal/Ωbaryons = 7.5% •  DM in the halos of galaxies baryons

  • Conclusion  DM  in  galaxies  

    •  Models  of  the  mass  distribu)on  implies  50-‐90%  of  maXer  is  dark  in  galaxies  

    •  Luminous  maXer  (stars  &  gas)  represents  7.5%  of  the  baryons  

    •  Dark  halos  cons)tute  at  most  15-‐65%  of  the  baryons  •  So,  not  necessarily  need  non-‐baryonic  maXer  to  explain  the  dark  halos  of  galaxies  (this  doesn’t  exclude  the  possibility  of  non-‐baryonic  maXer)  

  • DM  in  clusters  

    •  X  observa)ons:  DMclusters  ~  10  DMgalaxies  •  Not  enough  baryons  so  need  for  non-‐baryonic  maXer:  

    •  HDM  (hot  dark  maXer):  par)cle  with  no  mass  (or  very  liXle)  moving  at  ~c  (e.g.  neutrinos)  

    •  CDM  (cold  dark  maXer):  par)cle  with  enough  mass  so  that  they  move  at  non-‐rela)vis)c  veloci)es  (e.g.  neutralinos)  

    •  Important  difference  on  the  Large  Scale  Structure:  large  veloci)es  of  HDM  destroy  small  scale  structures  (cf.  simula)ons,  ruled-‐out  by  COBE)  CDM  favored.  

  • Cosmologic  DM  

    •  If  infla)on  is  correct,  the  Universe  is  flat,  so  Ω  =  1  •  Since    Ωm      ~  0.3,  we  need      Ωλ  =  0.7  =  dark  energy  

  • Cosmological  DM