Проблема с отсутствующим барионом - Missing baryon problem

Не путать с темная материя проблема или барионная асимметрия проблема.

В проблема с отсутствующим барионом была проблема, связанная с тем, что наблюдаемое количество барионная материя не соответствовали теоретическим предсказаниям. Плотность барионов может быть ограничена согласно Нуклеосинтез Большого взрыва и космический микроволновый фон. Наблюдения Космический корабль Планк в 2015 г. дала теоретическое значение для барионной материи 4,85% от содержимого Вселенной.[1] Однако прямое сложение всей известной барионной материи дает барионную плотность чуть меньше половины этой плотности.[2] Проблема недостающего бариона отличается от темная материя проблема, которая носит преимущественно небарионный характер.[3]

Считается, что недостающие барионы находятся в теплая – горячая межгалактическая среда (WHIM) (горячий межгалактический газ), что убедительно подтверждает недавние наблюдения.[4][5]

Теоретические предсказания

Плотность барионной материи может быть получена косвенно двумя независимыми методами.

  • Теория Нуклеосинтез Большого взрыва предсказывает наблюдаемые изобилие химических элементов. Если барионов больше, то во время Большого взрыва должно быть больше гелия, лития и более тяжелых элементов.[6][7] Согласие с наблюдаемым содержанием требует, чтобы барионная материя составляла от 4 до 5% всей Вселенной. критическая плотность.
  • Детальный анализ мелких неоднородностей (анизотропии) в космический микроволновый фон (CMB), особенно второй пик. Детали носят технический характер, но основаны на том факте, что барионная материя взаимодействует с фотонами и, следовательно, оставляет видимый отпечаток на реликтовом излучении.[8]

Ограничение CMB ()[1] намного точнее, чем ограничение BBN (),[9][10] но они согласны.

Наблюдения

Плотность барионной материи может быть получена непосредственно путем суммирования всей известной барионной материи. Это в высшей степени нетривиально, поскольку, хотя светящаяся материя, такая как звезды и галактики, легко суммируется, барионная материя также может существовать в сильно несветящейся форме, например черные дыры, планеты, и сильно рассеянный межзвездный газ. Тем не менее, это все еще можно сделать, используя такие методы, как:

  • Достаточно диффузный барионный газ или пыль будут видны при свете звезд. Полученные спектры можно использовать для определения массы между звездой и наблюдателем (нами).[11]
  • Гравитационное микролинзирование. Если планета или другой темный объект перемещается между наблюдателем и удаленным источником, изображение источника искажается. О массе темного объекта можно судить по степени искажения.

До 2017 года результат составлял около 70% от теоретических прогнозов.[12]

разрешение

Проблема недостающих барионов была объявлена ​​решенной в 2017 году, когда две группы ученых, которые работали независимо, сумели найти недостающие барионы в межгалактической материи. Утверждалось, что недостающие барионы существуют как горячие нити между парами галактик. Поскольку пряди диффузные и недостаточно горячие, чтобы испускать рентгеновские лучи, их трудно обнаружить. Группы использовали Эффект Сюняева – Зельдовича. для измерения плотности прядей. Если там присутствуют барионы, то некоторое количество энергии должно быть потеряно, когда свет космического микроволнового фона рассеивается от них. Они проявляются как очень тусклые пятна на CMB. Пятна слишком тусклые, чтобы их можно было увидеть напрямую, но когда они накладываются на видимое распределение галактик, становятся заметными. Плотность нитей составляет примерно 30% от барионной плотности, точное количество, необходимое для решения проблемы.[4][13][14][15]

использованная литература

  1. ^ а б Ade, P.A.R .; и другие. (2016). «Результаты Planck 2015. XIII. Космологические параметры». Astron. Астрофизики. 594: A13. arXiv:1502.01589. Bibcode:2016A&A ... 594A..13P. Дои:10.1051/0004-6361/201525830. S2CID  119262962.
  2. ^ Генри К. Фергюсон. ""Случай "недостающих барионов""".
  3. ^ Увидеть Лямбда-CDM модель. Барионы составляют только ~ 5% Вселенной, а темная материя составляет 26,8%.
  4. ^ а б «Половина пропавшего вещества Вселенной только что наконец была найдена». Новый ученый. Получено 2017-10-12.
  5. ^ Nicastro, F .; Kaastra, J .; Krongold, Y .; Borgani, S .; Branchini, E .; Cen, R .; Дадина, М .; Danforth, C.W .; Элвис, М .; Fiore, F .; Gupta, A .; Mathur, S .; Mayya, D .; Paerels, F .; Piro, L .; Rosa-Gonzalez, D .; Schaye, J .; Shull, J.M .; Torres-Zafra, J .; Wijers, N .; Заппакоста, Л. (2018). «Наблюдения пропавших без вести барионов в теплой – горячей межгалактической среде». Природа. 558 (7710): 406–409. arXiv:1806.08395. Bibcode:2018Натура.558..406Н. Дои:10.1038 / s41586-018-0204-1. PMID  29925969. S2CID  49347964.
  6. ^ Ахим Вайс "Нуклеосинтез Большого взрыва: готовим первые легкие элементы В архиве 2013-02-06 в Wayback Machine "в: Einstein Online Vol. 2 (2006), 1017
  7. ^ Raine, D .; Томас, Т. (2001). Введение в науку космологию. IOP Publishing. п. 30. ISBN  978-0-7503-0405-4.
  8. ^ Canetti, L .; Drewes, M .; Шапошников, М. (2012). «Материя и антивещество во Вселенной». Новый J. Phys. 14 (9): 095012. arXiv:1204.4186. Bibcode:2012NJPh ... 14i5012C. Дои:10.1088/1367-2630/14/9/095012. S2CID  119233888.
  9. ^ Майк Андерсон. «Недостающие барионы» (PDF).
  10. ^ Филдс, Брайан Д. Моларо, Паоло; Саркар, Субир (2014). «Нуклеосинтез Большого Взрыва». Китайская физика C. 38 (9): 339–344. arXiv:1412.1408. Bibcode:2014ЧФК..38i0001O. Дои:10.1088/1674-1137/38/9/090001.
  11. ^ Увидеть Лиман-альфа лес.
  12. ^ Шулл, Дж. Майкл; Смит, Бриттон Д.; Данфорт, Чарльз В. (2012). «Перепись барионов в многофазной межгалактической среде: 30% барионов все еще могут отсутствовать». Астрофизический журнал. 759 (1): 23. arXiv:1112.2706. Bibcode:2012ApJ ... 759 ... 23S. Дои:10.1088 / 0004-637X / 759/1/23. S2CID  119295243.
  13. ^ Танимура, Хидеки; Хиншоу, Гэри; Маккарти, Ян Джи; Людовик Ван Вербеке; Ма, Инь-Чжэ; Мид, Александр; Ходжати, Алиреза; Тростер, Тильман (2017). "Поиск нитей теплого / горячего газа между парами светящихся красных галактик SDSS". Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 483: 223–234. arXiv:1709.05024. Bibcode:2018MNRAS.tmp.2970T. Дои:10.1093 / mnras / sty3118. S2CID  119440127.
  14. ^ Анна де Грааф; Цай, Янь-Чуань; Хейманс, Кэтрин; Павлин, Джон А (2019). «Недостающие барионы в космической паутине, обнаруженные эффектом Сюняева-Зельдовича». Астрономия и астрофизика. A48: 624. arXiv:1709.10378. Дои:10.1051/0004-6361/201935159. S2CID  119262891.
  15. ^ Nicastro, F .; Kaastra, J .; Krongold, Y .; Borgani, S .; Branchini, E .; Cen, R .; Дадина, М .; Danforth, C.W .; Элвис, М. (июнь 2018 г.). «Наблюдения пропавших без вести барионов в теплой – горячей межгалактической среде». Природа. 558 (7710): 406–409. arXiv:1806.08395. Bibcode:2018Натура.558..406Н. Дои:10.1038 / s41586-018-0204-1. ISSN  0028-0836. PMID  29925969. S2CID  49347964.