zweiter univers gegen dunkle materie und dunkle energie

Doppelmaterie gegen Dunkelmaterie

J.P. Petit, P. Midy

F. Landsheat

Internationale Konferenz über

Astrophysik und Kosmologie

„Wo ist die Materie?“

Marseille, 25.–29. Juni 2001

Zusammenfassung

Die jüngsten dreidimensionalen Karten der Dunkelmaterie (Fort und Meillier, 1999) deuten auf die Existenz von „schwarzen Clustern“ hin, die ausschließlich aus Dunkelmaterie bestehen. In einer neuen Herangehensweise nehmen wir zunächst an, dass die Dunkelmaterie eine negative Masse und Energie besitzt und zeigen, dass diese Hypothese mit den beobachteten Daten kompatibel ist: das sehr große Skalen-Spektrum (VLS), die Bildung von Spiralstrukturen, das Einschließen und die Rotationskurven von Galaxien sowie die Gravitationslinse. Außerdem schlägt sie ein mögliches Szenario für die Galaxienbildung vor. Wir schlagen eine neue geometrische Beschreibung des Doppelmaterie-Dunkelmaterie-Paares vor, durch eine Überlappung zweier Punkte einer M4-Mannigfaltigkeit, die eine zweifaltige Raum-Zeit-Struktur (F, F̃) bildet. Die Faltung F̃ wird als „Zwillingsfaltung“ (Sakharov, 1967) bezeichnet, und die Materie, die sie enthält, wird als „Zwillingsmaterie“ bezeichnet. In diesem geometrischen Rahmen interagieren die gewöhnliche Materie und die Zwillingsmaterie (mit negativer Masse und Energie) nur durch die Gravitationskräfte, wobei die letztere optisch unsichtbar ist, da sie in unserem Faltungsabschnitt des Universums liegt. Da unser Welt und das Zwillingswelt getrennt sind, verhindert dies Begegnungen zwischen Teilchen mit entgegengesetzter Energie. Die Gruppentheorie zeigt, dass die Dualität Materie-Antimaterie im Zwillingsuniversum gilt, und dass dieses mit symmetrischer Materie gemäß CPT und PT gefüllt ist, wodurch die symmetrische Antimaterie gemäß PT von Feynman nichts anderes ist als die Antimaterie der Zwillingsfaltung, während die symmetrische Materie gemäß CPT die Materie der Zwillingsfaltung bildet, rückwärts in der Zeit verläuft, enantiomorph ist und eine entgegengesetzte elektrische Ladung besitzt. Wir präsentieren ein System von gekoppelten Feldgleichungen. Exakte Lösungen werden abgeleitet, darunter eine kugelsymmetrische Lösung, die der von Schwarzschild ähnelt. Wir erhalten konjugierte Geometrien mit entgegengesetzten Skalarkrümmungen: R̃ = –R. Es wird gezeigt, dass die Anwesenheit von Zwillingsmaterie in einer benachbarten Region des Raumes eine lokale negative Krümmung in unserem Faltungsabschnitt erzeugt, begleitet von einem negativen Gravitationslinseneffekt. Der Vergleich mit den beobachteten Daten wird diskutiert. Als kosmologisches Modell zeigt das Doppelpaar Universum-Universum-Zwilling unterschiedliche Geschichten. Die Zwillingsmaterie wirkt als abstoßende Materie und beschleunigt die Ausdehnung unseres Universums, wodurch sie die Rolle einer „kosmologischen Konstante“ spielt. Umgekehrt wird die Ausdehnung des Zwillingsuniversums verlangsamt. Für die Strahlungsära entwickeln wir ein Modell mit variabler Lichtgeschwindigkeit, das die Homogenität der frühen Universen gewährleistet: Die Inflationshypothese ist dann nicht mehr erforderlich. Die Natur der Zeit wird diskutiert. In der Newtonschen Näherung wird eine Theorie der gemeinsamen gravitativen Instabilität entwickelt, basierend auf zwei gekoppelten Jeans-Gleichungen. Aus der Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Gleichung (TOV) konstruieren wir ein Modell eines Neutronensterns mit Ausfluss (SNS), in dem ein zentraler räumlicher Brückenteil zwischen den Faltungen F und F̃ das gesamte Übermaß an Materie in das Zwillingsraumgebiet abfließen lässt, wodurch die geometrische Kritikalität verhindert wird. Dies stellt das Schwarzschild-Modell in Frage, dessen theoretische Gültigkeit angezweifelt wird.

1 – Einleitung

Die Dunkelmaterie ist heute die einzige Antwort auf jedes astrophysikalische Problem. Sie sorgt für das Einschließen von Galaxien, formt ihre Rotationskurven, ist verantwortlich für die starken Gravitationslinseneffekte, die beobachtet werden, und strukturiert das sehr große Skalen-Spektrum (VLS). Ein zeitgenössischer Experte der galaktischen Dynamik fügt ad hoc eine Verteilung der Dunkelmaterie in jede Galaxie ein, um ihre beobachtete Rotationskurve anzupassen, die mittlerweile mit großer Präzision durch die Bemühungen vieler Beobachter bekannt ist. Doch die galaktische Dynamik, wie sie von Figuren wie Oort und Chandrasekhar konzipiert wurde, basierend auf der gemeinsamen Lösung der Vlasov- und Poisson-Gleichungen, ist heute eine Black Box geworden. Die Gesetze der Physik werden unscharf. Um das Problem, das mit der neuen Bewertung der Hubble-Konstante verbunden ist, zu erklären, aktivieren die Theoretiker die berühmte kosmologische Konstante, während die Physiker sich über die Ursache der „abstoßenden Kraft des Vakuums“ fragen. Die Astronomie stellt ein seltsames Paradoxon dar: Die Beobachtungen werden jedes Jahr präziser, reicher und komplexer, aber niemand weiß, wie eine Galaxie funktioniert oder sich bildet. Die zeitgenössische Ära ist der Entdeckung des Unsichtbaren gewidmet. Da die Suche nach MACHO nach zehn Jahren Arbeit gescheitert ist, werden nun alle Spekulationen in Betracht gezogen, um herauszufinden, aus was die Dunkelmaterie besteht. Mehrere Forschungsteams setzen auf die indirekte Beobachtung des Neutralinos, einer exotischen Teilchen, die vermutlich aus dem Bereich der Supersymmetrie stammt und von 120 freien Parametern abhängt (sieben, laut Spezialisten, mit gewissen vernünftigen und bequemen Annahmen). Eine aktive Suche nach „Astropartikeln“ läuft überall in neuen Laboren ab. In Frankreich haben Fort und Meillier kürzlich die Dunkelmaterie „kartografiert“, indem sie sich auf die beobachteten Gravitationslinseneffekte stützten. Seit 1989 haben sie eine geeignete Methode entwickelt. Sie haben [1], März 2000, eine dreidimensionale Karte eines Teils des Universums vorgestellt, die das Unsichtbare, die unterliegende Dunkelmaterie enthüllt. Doch 1994 tritt die erste Inkonsistenz auf [2]: Die französischen Forscher entdecken einen Teil des Himmels, in dem ihre Analyse eine wichtige Konzentration von Materie lokalisiert, die verzweifelt dunkel ist. 1998 bestätigt eine neue Bildaufnahme des CFHT dasselbe Phänomen in der Nähe des Galaxienhaufens Abell 1942.

Siehe Abbildung 1.

Abbildung 1: Pfeil: Der (dunkle) Teil des Himmels, in dem die Analyse von Fort und Meillier eine Konzentration von Dunkelmaterie entspricht 5 × 10¹⁴ Sonnenmassen lokalisiert.
Die Grenze des exotischen Dunkelmaterie-Clusters wird durch geschlossene schwarze Schleifen angegeben.

Überrascht, um das Problem zu klären, entschließen sie sich, neue Beobachtungen in verschiedenen Lichtfrequenzbändern durchzuführen. Doch dieses Ergebnis wird bestätigt. Wenn ihre Methode korrekt ist, befindet sich genau dort ein „schwarzer Cluster“. Wie Fort, befragt im Juni 1999 [2], sagt: „Es scheint schwierig zu denken, dass eine solche massive Konzentration von Dunkelmaterie keine Galaxie oder kein Gas gefangen hat“. Da ihre Studie sich auf einen Bereich von einem Quadratgrad des Himmels bezieht, bedeutet das, dass, sobald der gesamte Himmel mit ihrer Methode kartografiert wird, Astrophysiker etwa 10.000 „schwarze Cluster“ behandeln müssen. Dies zeigt, dass das Problem der Dunkelmaterie heute noch nicht gelöst ist: Es bleibt Platz für mutige Ansätze.

Und was mit negativen Massen und Energien?

valeur_densite_gemellaire

Kann das Universum sowohl positive als auch negative Massen (und Energien) enthalten? Heute sind alle Spekulationen über „exotische Teilchen“ erlaubt. Zunächst nehmen wir an, dass unser Universum eine Mischung aus positiven und negativen Massen ist und untersuchen die Folgen. Wir können annehmen, dass diese Materie mit negativer Energie eine Art exotische Materie ist, die mit der gewöhnlichen Materie nur durch die Gravitationskraft interagiert, keine Photonen emittiert oder einfängt (diese Materie wäre also schwarz und unsichtbar). Später werden wir eine andere Hypothese betrachten, die eine „exotische Geometrie“ (Abschnitt 8) beinhaltet.

Wählen Sie die Wechselwirkungsgesetze (die später in Abschnitt 12 gerechtfertigt werden):

Positive Massen ziehen sich gegenseitig nach dem Newtonschen Gesetz an.
Negative Massen ziehen sich gegenseitig nach dem Newtonschen Gesetz an.
Eine positive Masse m und eine negative Masse –m stoßen sich gegenseitig nach der „antinewtonschen“ Regel ab.

Diese Ergebnisse wurden zuvor in Nuevo Cimento 1994 veröffentlicht [3]. Beide Populationen trennen sich und unterliegen gemeinsamen gravitativen Instabilitäten.

2D-Simulation des VLS aus der Wechselwirkung zweier Populationen mit entgegengesetzten Massen.

1970 schlug Zel’dovich seine berühmte Theorie der „Pancakes“ [5] vor.
Der Pancake-Effekt wurde zuerst von Doroshkevich et al. [6], Klypin und Shandarin [7] sowie Centrella & Mellot [8] demonstriert. Mellot und Shandarin (1990) gaben eine elegante Demonstration dieses Effekts mit zweidimensionalen Berechnungen, die eine deutlich bessere Auflösung für eine gegebene Anzahl von Teilchen boten [9]. Shandarin, Kofman und Pogosyan stellten eine leistungsstarke und halbanalytische Methode vor, um die Position der Pancakes aus den Anfangsbedingungen vorherzusagen [10] und [11]. Kürzlich hat Mellot ein Set aus 64³ Teilchen in 3D mit periodischen Randbedingungen verwendet. Laut Mellot bleiben die Dichteschwankungen gering. Wie Peebles [12] hervorhebt, „kann dies nicht die ganze Geschichte sein, denn die beobachteten Pancakes sind ein vorübergehender Effekt: mit der Zeit fließt die Masse der Pancakes in dreidimensionale Haufen. Das bedeutet, dass, wenn die lokale Galaxienblatt eine Pancake war, sie kürzlich gebildet worden sein muss“. Dann fragt Peebles: „Gibt es eine zweite Generation von Pancakes, die aus der ersten gebildet wird?“ Doch er schließt sofort: „Das folgt nicht aus der hier vorgestellten Analyse, da sie auf der Kontinuität des Geschwindigkeitsfeldes beruht, was es ermöglicht, eine Reihe für die Entwicklung der relativen Positionen zu schreiben. Nach der Bildung der ersten Generation von Haufen (die Galaxien oder ihre Vorfahren sein könnten), besitzt das Geschwindigkeitsfeld normalerweise keine Kohärenzlänge mehr, und die auf der Kontinuität basierende Analyse ist nicht mehr anwendbar“. Insgesamt ermöglicht die Pancake-Theorie im gegenwärtigen Wissensstand nicht, die beobachteten großen Strukturen zu beschreiben. Versuchen wir also etwas anderes: Wir nehmen als Anfangsbedingungen gleichmäßige Massenverteilungen für die gewöhnliche Materie (die wir einfach „Materie“ nennen) und für die Zwillingsmaterie.

Gegeben die Massendichte der Materie und die (negative) Massendichte der Zwillingsmaterie, wählen wir als Anfangsbedingungen:

Zu diesem Zeitpunkt beobachten wir einfach, was passiert. Wir haben 2D-numerische Simulationen mit zwei Mengen von 5000 Massenpunkten durchgeführt, die Cluster aus Materie und Zwillingsmaterie darstellen sollen, mit Massen M > 0 und M̃ < 0 (was bedeutet, dass |M̃| = 64 M). Wir weisen diesen beiden Mengen 2D-Maxwell-Verteilungen thermischer Geschwindigkeiten mit <V> = 4<V> zu. Wir ignorieren Phänomene der Expansion (sehr schwierig zu behandeln, da wir nicht wissen, wie man die Gravitationskraft in einem expandierenden Universum beschreibt). Das Ergebnis ist folgendes: Die schwerere Population, die der Zwillingsmaterie, deren Jeans-Zeit acht Mal kürzer ist als die der anderen Population, dominiert das Spiel und bildet durch gravitative Instabilität Haufen, die die andere Population verdrängen und in den verbleibenden Räumen einschließen. Wir erhalten eine 2D-zelluläre Struktur. Das charakteristische Zeitintervall für die Bildung der gesamten Struktur ist nahe der Jeans-Zeit der schwereren Population (die Materie mit negativer Masse, also die Zwillingsmaterie).

Abbildung 2: Ergebnisse der Simulationen, die von F. Landsheat durchgeführt wurden.
Links: Zwillingsmaterie-Cluster. Rechts: Materiestruktur.

Diese 2D-Simulationen sind bemerkenswert stabil in der Zeit. Natürlich handelt es sich um 2D-Simulationen, sodass wir dieses Ergebnis als Illustration einer Idee betrachten müssen. 3D-Simulationen übersteigen die Fähigkeiten unseres Computers. Dennoch denken wir, dass wir in 3D 3D-Zellen erhalten würden, die wie Seifenblasen aussehen, zentriert um Cluster mit negativer Masse. Das allgemeine Muster hängt von den Anfangsbedingungen ab. Je höher die Temperatur der Zwillingsmaterie ist, desto größer sind die Haufen. Dieser Ansatz, um die Struktur des Universums auf sehr großer Skala zu modellieren, ist grundlegend anders als die klassischen Ansätze, die auf Dunkelmaterie basieren. In klassischen Materie-Dunkelmaterie-Systemen ist die Stabilität problematisch: die gravitative Instabilität, die die lokale Dichte erhöht, erhöht die thermischen Geschwindigkeiten und führt allmählich zur Auflösung der beobachteten Strukturen. Das System mit zwei sich abstoßenden Populationen ist qualitativ anders: jede Population erzeugt eine potenzielle Barriere für die andere. Dies erklärt die große Stabilität in Zeit und Raum: die Materiezellen halten die Zwillingsmaterie-Cluster an Ort und Stelle, und diese Cluster verhindern die Auflösung der zellulären Struktur.

Auf Abbildung 5 bezeichnen wir d den Durchmesser einer Zelle und f den Durchmesser eines Haufens. Für verschiedene Anfangsbedingungen sowie für zufällige Positionen der Massenpunkte variiert die Anzahl der Haufen n_c (und Zellen auf dem Bildschirm) kaum. Die Standardabweichung folgt (a).

rapport_clump_sur_cell

Das gleiche gilt für die Massen und Durchmesser der Haufen (b), (c).

Wir können einige Merkmale dieser numerischen Berechnung untersuchen. Die Materie bildet eine zelluläre Struktur. Sei ρ_s die durchschnittliche Massendichte der Materie in dieser Struktur. Außerhalb der Haufen hat die Zwillingsmaterie eine konstante Dichte (Index e, für „extern“), was (d) entspricht.

Der Durchmesser der Haufen, bezogen auf den Durchmesser der Zellen, folgt (e).

Wir definieren eine Art „Pseudotemperatur“, die die mittlere kinetische Energie in diesen „2D-Gasen“ misst (f), mit (g).
T bezeichnet eine Temperatur (eines Materiegases) vor der Galaxienbildung.

Kann man den Effekt dieser hypothetischen Zwillingsmaterie-Haufen auf das Licht aus fernen Quellen abschätzen? Ein Photon, das sich in unserem Faltungsabschnitt des Universums befindet, kann von einer Zwillingsmaterie-Partikel nicht erfasst werden, aus rein geometrischen Gründen. Dennoch wirken die Zwillingsmaterie-Haufen auf die Photon-Bahnen durch negative Gravitationslinse. Kann man die Anwesenheit solcher Haufen durch einen kosmologischen Test nachweisen? Wir können eine grobe Abschätzung vornehmen, indem wir eine nicht realistische Situation annehmen, in der das Universum als euklidisch und stationär beschrieben wird, was für moderate Entfernungen passt. Die Durchmesser φ der Zwillingsmaterie-Haufen sind sehr ähnlich. Wie oben erwähnt, sind die Standardabweichungen gering, sodass wir den Raum auf großer Entfernung als reguläre Verteilung von Zellen betrachten können, wobei jede Zelle einen sphärischen Haufen in der Mitte enthält und den gleichen Durchmesser φ für alle Haufen annimmt. Sei n die Dichte der Haufen, die im Raum konstant ist (h). Ein Photon bewegt sich mit der Geschwindigkeit c. Die effektive Querschnittsfläche eines Haufens ist (i). Die Frequenz der Begegnungen ist (wir erinnern daran, dass das Photon von den Haufen nicht absorbiert werden kann) (j). Der mittlere freie Weg ist (k).

Kann man die Anzahl der Galaxien abschätzen, deren Bild durch den negativen Linseneffekt an einer gegebenen Entfernung r verändert wird? Laut der kinetischen Theorie können wir die Wahrscheinlichkeit berechnen, ein bestimmte Länge r zu beobachten: das ist (l).
Sei (m) + (n) → (o). p hängt stark von dem Wert von a ab. Die Wahrscheinlichkeit p_e, einen Gravitationslinseneffekt zu beobachten, ist 1 – p, was den folgenden Kurven entspricht:

Abbildung 3: Wahrscheinlichkeit, einen Anti-Linseneffekt (negative Linse) in Abhängigkeit von der Entfernung für verschiedene relative Durchmesser der Haufen im Verhältnis zu den Zellen zu beobachten.

Die numerischen Ergebnisse, die im Artikel präsentiert werden, entsprechen dem folgenden Wert des relativen Durchmessers der Haufen im Verhältnis zu den Zellen:

Aber dissipative Prozesse können in den Haufen auftreten, die deren Durchmesser stark reduzieren und diese Objekte verändern. Der aktuelle durchschnittliche Verhältnis (Dichte der Zwillingsmaterie / Dichte der normalen Materie), |ρ̃|/ρ, ist 64. Wenn die Haufen in relativ kleine Objekte umgewandelt werden, könnte man erwarten, dass die Bilder der fernen Quellen (Quasare, Galaxien) unverändert bleiben. Ein Galaxienhaufen wirkt im ersten Näherung als doppelt konvexe Linse, während ein Zwillingsmaterie-Haufen als konkave Linse wirkt. Die Bilder von fernen Galaxien, die durch eine solche Gravitationslinse hindurchgehen, sollten kleiner, schwächer und zahlreicher erscheinen, wie Peebles (Referenz [12], S. 311) hervorhebt.

Ein mögliches Schema für die Galaxienbildung.

……

Als die Zellen sich bilden, trennen sich die beiden Populationen. Die Zwillingsmaterie-Cluster verdrängen

F, entfernt alle überschüssige Materie in den Zwillingsraum, verhindert die geometrische Kritikalität. Dies stellt das Schwarzschild-Modell in Frage, dessen theoretische Gültigkeit angezweifelt wird.

1 -

Einleitung

. Die Dunkelmaterie ist heute die einzige Antwort auf jedes astrophysikalische Problem. Sie sorgt für das Einschließen von Galaxien, formt ihre Rotationskurven, ist verantwortlich für die beobachteten starken Gravitationslinseneffekte und strukturiert das VLS. Ein zeitgenössischer Experte der galaktischen Dynamik fügt heute eine ad hoc Verteilung der Dunkelmaterie in jede Galaxie ein, um ihre beobachtete Rotationskurve anzupassen, die mittlerweile mit großer Präzision durch die Bemühungen vieler Beobachter bekannt ist. Doch die galaktische Dynamik, wie sie von Figuren wie Oort und Chandrasekhar konzipiert wurde, basierend auf der gemeinsamen Lösung der Vlasov- und Poisson-Gleichungen, ist heute eine Black Box geworden. Die Gesetze der Physik werden unscharf. Um das Problem zu erklären, das mit der neuen Bewertung der Hubble-Konstante verbunden ist, aktivieren die Theoretiker die berühmte kosmologische Konstante, während die Physiker sich über die Ursache der „abstoßenden Kraft des Vakuums“ fragen. Die Astronomie stellt ein seltsames Paradoxon dar: Die Beobachtungen werden jedes Jahr präziser, reicher und komplexer, aber niemand weiß, wie eine Galaxie funktioniert oder sich bildet. Die zeitgenössische Ära ist der Entdeckung des Unsichtbaren gewidmet. Nach zehn Jahren Arbeit hat die Suche nach MACHO gescheitert, alle Spekulationen werden nun in Betracht gezogen, um herauszufinden, aus was die Dunkelmaterie besteht. Mehrere Forschungsteams setzen auf die indirekte Beobachtung des Neutralinos, eines exotischen Teilchens, das vermutlich aus dem Bereich der Supersymmetrie stammt und von 120 freien Parametern abhängt (sieben, laut Spezialisten, mit gewissen vernünftigen und bequemen Annahmen). Eine aktive Suche nach „Astropartikeln“ läuft überall in neuen Laboren ab. In Frankreich haben Fort und Meillier kürzlich die Dunkelmaterie „kartografiert“, indem sie sich auf die beobachteten Gravitationslinseneffekte stützten. Seit 1989 haben sie eine geeignete Methode entwickelt. Sie haben [1], März 2000, eine dreidimensionale Karte eines Teils des Universums vorgestellt, die das Unsichtbare, die unterliegende Dunkelmaterie enthüllt. Doch 1994 tritt die erste Inkonsistenz auf [2]: Die französischen Forscher entdecken einen Teil des Himmels, in dem ihre Analyse eine wichtige Konzentration von Materie lokalisiert, die verzweifelt dunkel ist. 1998 bestätigt eine neue Bildaufnahme des CFHT dasselbe Phänomen in der Nähe des Galaxienhaufens Abell 1942.

Siehe Abbildung 1.

Und was mit negativen Massen und Energien?

valeur_densite_gemellaire

Kann das Universum sowohl positive als auch negative Massen (und Energien) enthalten, offensichtlich mit negativer Energie? Heute sind alle Spekulationen über „exotische Teilchen“ erlaubt. Zunächst nehmen wir an, dass unser Universum eine Mischung aus positiven und negativen Massen ist und schauen, was passiert. Wir können annehmen, dass diese Materie mit negativer Energie eine Art exotische Materie ist, die mit der gewöhnlichen Materie nur durch die Gravitationskraft interagiert, keine Photonen emittiert oder einfängt (diese Materie wäre also schwarz und unsichtbar). Später werden wir eine andere Hypothese betrachten, die eine „exotische Geometrie“ (Abschnitt 8) beinhaltet.

Wählen Sie die Wechselwirkungsgesetze (die später in Abschnitt 12 gerechtfertigt werden):

Positive Massen ziehen sich gegenseitig nach dem Newtonschen Gesetz an.
Negative Massen ziehen sich gegenseitig nach dem Newtonschen Gesetz an.
Eine positive Masse m und eine negative Masse –m stoßen sich gegenseitig nach der „antinewtonschen“ Regel ab.

Diese Ergebnisse wurden zuvor in Nuevo Cimento 1994 veröffentlicht [3]. Beide Populationen trennen sich und unterliegen gemeinsamen gravitativen Instabilitäten.

2D-Simulation des VLS in Bezug auf die Wechselwirkung zweier Populationen mit entgegengesetzten Massen.

Gegeben die Massendichte der Materie und die (negative) Massendichte der Zwillingsmaterie, wählen wir als Anfangsbedingungen:

Abbildung 2: Ergebnisse der Simulationen, die von F. Landsheat durchgeführt wurden.
Links: Zwillingsmaterie-Cluster. Rechts: Materiestruktur.

rapport_clump_sur_cell

Das gleiche gilt für die Massen und Durchmesser der Haufen (b), (c).

Der Durchmesser der Haufen, bezogen auf den Durchmesser der Zellen, folgt (e).

Die numerischen Ergebnisse, die im Artikel präsentiert werden, entsprechen dem folgenden Wert des relativen Durchmessers der Haufen im Verhältnis zu den Zellen:

Ein mögliches Schema für die Galaxienbildung.

……

Als die Zellen sich bilden, trennen sich die beiden Populationen. Die Zwillingsmaterie-Cluster verdrängen

Können Sie die Anzahl der Galaxien schätzen, deren Bild durch das negative Linseneffekt bei einer gegebenen Entfernung r verfälscht würde? Aus der kinetischen Theorie wissen wir, wie man die Wahrscheinlichkeit berechnet, eine Bahn mit einer bestimmten Länge r zu beobachten. Sie ist durch (l) gegeben.

Sei (m) + (n) dann (o). p hängt stark von dem Wert von

ab. Die Wahrscheinlichkeit, ein Gravitationslinseneffekt zu beobachten, ist 1 - p, was den Kurven entspricht:

Abbildung

: Wahrscheinlichkeit, ein Anti-Linseneffekt (negative Linse) zu beobachten

in Abhängigkeit von der Entfernung, für verschiedene Werte (relative) des Durchmessers der Haufen

Die numerischen Ergebnisse, die im Artikel präsentiert werden, entsprechen dem Wert des relativen Durchmessers der Haufen im Vergleich zum Durchmesser der Zellen, der gleich ist:

Aber dissipative Prozesse können in den Haufen auftreten, die deren Durchmesser stark reduzieren und diese Objekte verändern. Das aktuelle durchschnittliche Verhältnis (Dichte der Zwillingsmaterie / Dichte der normalen Materie)

I r I / r

beträgt 64. Wenn die Haufen zu relativ kleinen Objekten werden, könnten wir erwarten, dass wir unverfälschte Bilder von fernen Quellen (Quasare, Galaxien) erhalten. Ein Galaxienhaufen wirkt im Wesentlichen wie eine doppelt konvexe Linse. Eine Zwillingsmaterie-Haufen würde wie eine konkave Linse wirken. Die Bilder ferner Galaxien, die durch eine solche Gravitationslinse gehen, sollten kleiner, schwächer und zahlreicher erscheinen, wie Peebles (Referenz [12], Seite 311) hervorhebt.

Ein mögliches Schema zur Bildung von Galaxien.

......

Wenn die Zellen entstehen, trennen sich die beiden Populationen. Die Zwillingsmaterie-Haufen stoßen die normale Materie ab und komprimieren sie, wodurch die Wände der Zelle gebildet werden. In diesen Wänden steigt die Temperatur, und diese besondere geometrische Konfiguration ist optimal für eine schnelle Abstrahlung der Strahlungsenergie. Die nachfolgende Temperaturabnahme in der Gaswand macht sie gravitativ instabil, und Proto-Galaxien bilden sich. Gleichzeitig nimmt die Zwillingsmaterie den intergalaktischen Raum ein und übt einen Gegendruck auf sie aus, wodurch sie eingeschlossen werden.

Abbildung

: Ein mögliches Schema zur Bildung von Galaxien. Links: Die Materie wird durch das abstoßende Effekt der Zwillingsmaterie-Haufen, die sich in den Zellen befinden, komprimiert. Rechts: schnelle radiative Abkühlung dieser Materie, die instabil wird und junge Galaxien bildet.

Wie wir sehen, bietet dieses Modell neue Perspektiven auf astrophysikalische Probleme und verdient 3D-Berechnungen. Lassen Sie uns die Frage der Einschließung der Galaxien genauer betrachten.

Galaxien, die durch den Gegendruck der umgebenden Zwillingsmaterie eingeschlossen sind.

Jeder weiß, dass es kein selbstkonsistentes Modell für eine Galaxie gibt. Ihre Beschreibung bleibt rein empirisch. Die galaktische Dynamik bleibt ein vollständiges Rätsel. Heute fügen Theoretiker willkürlich Verteilungen von nicht identifizierter dunkler Materie hinzu, um die Rotationskurven des Gases anzupassen, das ist alles. Versuchen wir, dies durch die Wechselwirkung zwischen Materie und umgebender Zwillingsmaterie zu modellieren. Wir starten mit dem Dichteprofil der Galaxie, das von Myamoto und Nagaï [13] gegeben wird:

Umgeben, installieren wir eine Reihe von elliptischen Zwillingsmaterie-Schalen mit derselben Exzentrizität, deren Dichte vom Zentrum bis ins Unendliche zunimmt (siehe ihr Dichteprofil, Abbildung 5 unten). Das Newtonsche Feld, das von einer solchen dicken Schale erzeugt wird, ist durch eine einfache analytische Formel [14] gegeben.

Jetzt fügen wir die Galaxie hinzu, die das Gravitationsfeld hauptsächlich in der Nähe des Zentrums verstärkt, wo die Druckkraft das Feld ausgleicht. Wie in Abbildung 3 gezeigt, hat das Gravitationsfeld eine Einschließungskomponente in z-Richtung. Dieses Phänomen könnte die ungewöhnlich hohen Geschwindigkeiten in z-Richtung erklären, die von Bahcall ( [16] und [17] ) für die Stern K festgestellt wurden. Eine vollständige und systematische Studie sollte mit dieser Methode durchgeführt werden. Durch die Findung dieser hohen Geschwindigkeiten schlussfolgert Bahcall, dass eine gewisse dunkle Materie im Scheiben der Galaxien vorhanden sein muss. Laut unserem Modell könnte dies auf das abstoßende Effekt der umgebenden dunklen Materie zurückzuführen sein: eine alternative Interpretation. Im Allgemeinen, aus beobachteten Daten, können Menschen die Verteilung berechnen

„konventionelle“ dunkle Materie im Raum. Ebenso ist es möglich, aus denselben beobachteten Daten eine entsprechende Verteilung zu konstruieren

dunkle Materie abstoßend, durch die oben beschriebene Methode. Die lokale Stärke des Gravitationsfeldes hängt von der gewählten Verteilung ab. Hier

Originalversion (Englisch)

Twin matter against dark matter

J.P. Petit, P. Midy

F. Landsheat

International Conference on

Astrophysics and Cosmology

« Where is the matter ? »

Marseille, 25-29 June 2001

Abstract

Recent 3d mapping of dark matter (Fort and Meillier, 1999) implies the existence of « dark clusters », composed exclusively of dark matter. Exploring a new way, we assume, in a first step, that dark matter has a negative mass and energy, and show that this hypothesis is compatible with the observed data: the very large scale (VLS) spectrum, the formation of spiral structures, the confinement and rotation curves of galaxies, as well as gravitational lensing. Moreover, it suggests a possible scenario for the formation of galaxies. We propose a new geometrical description of the matter-dark matter couple, through a two-points cover of a M4 manifold, forming a two folds (F, F̃) space-time structure. The fold F̃ is called the twin fold (Sakharov, 1967), and the matter it contains is called twin matter. In this geometrical background, matter (ordinary) and twin matter (with negative mass and energy) interact only through gravitational forces, this latter being optically invisible from our fold of the Universe. Since our world and the twin world are disconnected, this prevents encounters between particles of opposite energy. Group theory shows that matter-antimatter duality holds in the twin universe, and that it is filled with CPT and PT-symmetrical matter, so that the Feynman PT-symmetrical antimatter is nothing but the antimatter of the twin fold, while the CPT-symmetrical composes its matter, going backwards in time, enantiomorphic, and owing opposite electric charge. We present a coupled field equations system. Exact solutions are derived, including a spherically symmetric one, similar to Schwarzschild. We get conjugated geometries, with opposite scalar curvatures R̃ = –R. It is shown that the presence of twin matter in an adjacent portion of space creates a local induced negative curvature in our fold, accompanied by a negative gravitational lensing effect. The comparison with the observed data is discussed. As a cosmological model, the couple universe-universe twin presents different histories. Twin matter acts as a repulsive matter and accelerates the expansion of our universe, playing the role of a « cosmological constant ». Conversely, the expansion of the twin universe is slowed down. For the radiative era, we develop a variable speed of light model, which ensures the homogeneity of the early universes: the inflation hypothesis is no longer necessary. The nature of time is discussed. In the Newtonian approximation, a joint gravitational instability theory is developed, based on two coupled Jeans-like equations. From the Tolman-Oppenheimer-Volkoff (TOV) equation, we build a model of a leaking neutron star (SNS), in which a central space bridge connecting the folds F and F̃ drains all excess matter into the twin space, preventing geometrical criticality. This challenges the black hole model, whose validity is contested on theoretical grounds.

1 – Introduction

Dark matter is today the only answer given to any astrophysical problem. It ensures the confinement of galaxies, shapes their rotation curves, is responsible for the observed strong gravitational lensing effects, and structures the very large scale (VLS) spectrum. A contemporary specialist in galactic dynamics injects ad hoc a dark matter distribution in each galaxy in order to adjust its observed rotation curve, now known with good accuracy thanks to the efforts of many observers. However, galactic dynamics, as conceived by figures like Oort and Chandrasekhar, based on the joint resolution of the Vlasov and Poisson equations, has become today a black box. The laws of physics become fuzzy. In order to explain the problems related to the new evaluation of the Hubble constant, theorists reactivate the famous cosmological constant, while physicists wonder about the origin of the « repulsive power of the vacuum ». Astronomy presents a strange paradox: the observations become more and more precise, rich and sophisticated each year, but nobody knows how a galaxy works or how it forms. The contemporary era is devoted to the discovery of the invisible. As the search for MACHOs has finally failed after ten years of effort, all speculations are now considered, in order to determine what dark matter is made of. Several research teams bet on the (indirect) observation of the neutralino, an exotic particle supposed to come from the supersymmetry world and depending on 120 free parameters (seven, according to the specialists, with some convenient and reasonable assumptions). An active search for « astroparticles » is taking place everywhere, in new laboratories. In France, Fort and Meillier have recently « mapped » dark matter, based on the observed gravitational lensing effects. Since 1989, they have developed an adequate method. They presented [1], March 2000, a 3d map of a portion of the Universe, revealing the invisible, the underlying dark matter. But in 1994, the first inconsistency appears [2] : the two French researchers discover a portion of the sky where their analysis locates an important concentration of matter, desperately dark. In 1998, a new image, obtained by the CFHT, confirms the same phenomenon, near the galaxy cluster Abell 1942.

See Figure 1.

Fig. 1 : Arrow : the (dark) portion of the sky where the analysis of Fort and Meillier locates a concentration of dark matter equivalent to 5 × 10¹⁴ solar masses.
The boundary of the exotic dark matter cluster is indicated by closed black loops.

Surprised, in order to clarify the problem, they decide to make new observations in different light frequency bands. But this result is confirmed. If their method is correct, a « dark cluster » is precisely located there. As Fort says, questioned in June 1999 [2] : « It seems difficult to think that such a massive concentration of dark matter has captured no galaxy or no gas ». Since their study concerns a portion of sky of one square degree, this means that, in the future, once the entire sky is mapped by their method, astrophysicists will have to deal with about 10,000 « dark clusters ». This shows that the question of dark matter is far from being resolved today: a place remains open for bold approaches.

And the negative masses and energies?

value_density_gemellaire

Can the Universe contain both positive and negative masses (and energies)? Today, all speculations on « exotic particles » are allowed. In a first step, let us assume that our Universe is a mixture of positive and negative masses and examine the consequences. We can assume that this negative energy matter corresponds to a kind of exotic matter, interacting with ordinary matter only through the gravitational force, emitting and capturing no photon (i.e., this matter would be dark and invisible). Later, we will approach another hypothesis, involving a « exotic geometry » (section 8).

Choose the interaction laws (which will be justified later, in section 12):

Positive masses attract each other according to Newton's law.
Negative masses attract each other according to Newton's law.
A positive mass m and a negative mass –m repel each other according to the « anti-Newton law ».

These results were previously published in Nuevo Cimento in 1994 [3]. The two populations separate, undergoing joint gravitational instabilities.

2D simulation of VLS from the interaction of two opposite mass populations.

In 1970, Zel’dovich proposed his famous « pancake » theory [5].
The pancake effect was first demonstrated by Doroshkevich et al. [6], Klypin and Shandarin [7], as well as Centrella & Mellot [8]. Mellot and Shandarin (1990) gave an elegant demonstration of this effect using 2D calculations, offering a significantly higher resolution for a given number of particles [9]. Shandarin, Kofman and Pogosyan presented a powerful semi-analytical method to predict the position of pancakes from the initial conditions [10] and [11]. More recently, Mellot used a set of 64³ particles in 3D with periodic boundary conditions. According to Mellot, density fluctuations remain weak. As Peebles [12] points out, « this can't be the whole story, because the observed pancakes constitute a transient effect: over time, the mass of the pancakes flows into 3D clusters. This means that, if the local galaxy sheet was a pancake, it should have been formed recently ». Then Peebles asks: « Would there be a second generation of pancakes formed from the first one? » But he immediately concludes: « This does not follow from the analysis presented here, because it is based on the continuity of the velocity field, allowing to write a series expansion for the evolution of the relative positions. After the formation of the first generation of clusters (which could be galaxies or their ancestors), the velocity field generally no longer has a coherence length, and the analysis based on continuity no longer applies ». In conclusion, the pancake theory does not, in the current state of knowledge, allow to describe the large structures observed. Let's try something else: we take as initial conditions uniform mass distributions for the ordinary matter (which we simply call « matter ») and for the twin matter.

Given the mass density of the matter and that (negative) of the twin matter, we choose as initial conditions:

At this stage, let's simply observe what happens. We have carried out 2D numerical simulations with two sets of 5000 mass points, intended to represent clusters of matter and twin matter, of masses M > 0 and M̃ < 0 (which means that |M̃| = 64 M). We assign these two sets Maxwellian thermal velocity distributions with <V> = 4<V>. We neglect expansion phenomena (very difficult to handle, because we don't know how to describe the gravitational force in an expanding universe). The result is the following: the more massive population, that of the twin matter, whose Jeans time is eight times shorter than that of the other population, dominates the game and forms clusters by gravitational instability, repelling and confining the other population in the residual spaces. We obtain a 2D cellular structure. The characteristic time for the formation of the entire structure is close to the Jeans time of the heaviest population (the negative mass matter, i.e., the twin matter).

Fig. 2 : Results of the simulations carried out by F. Landsheat.
Left: twin matter clusters. Right: matter structure.

These 2D simulations are remarkably stable over time. Of course, they are 2D simulations, so we have to consider this result as an illustration of an idea. 3D simulations exceed the capabilities of our computer system. However, we think that in 3D, we would obtain 3D cells, resembling soap bubbles joined, centered around negative mass clusters. The general pattern depends on the initial conditions. The higher the temperature of the twin matter, the larger the clusters. This approach, aiming to model the large-scale structure of the Universe, is fundamentally different from classical approaches based on dark matter. In classical matter-dark matter systems, stability is problematic: gravitational instability, increasing the local density, increases the thermal velocities and gradually eliminates the observed structures. The two-population repelling system is qualitatively different: each population creates a potential barrier for the other. This explains the great temporal and spatial stability: the matter cells keep the twin matter clusters in place, and these clusters prevent the dissipation of the cellular structure.

In Figure 5, note d the diameter of a cell and f that of a cluster. For different given initial conditions, as well as for random positions of the mass points, the number of clusters n_c (and of cells on the screen) varies little. The standard deviation obeys (a).

ratio_clump_over_cell

The same applies to the masses and diameters of the clusters (b), (c).

We can examine some characteristics of this particular numerical calculation. The matter forms a cellular structure. Let ρ_s be the average mass density of matter in this structure. Outside clusters, the twin matter has a constant density (index e, for « external »), corresponding to (d).

The average diameter of the clusters, relative to the average diameter of the cells, obeys (e).

We define a kind of « pseudo-temperature », measuring the average kinetic energy in these « 2D gases » (f), with (g).
T denotes a temperature (of a matter gas) before the formation of galaxies.

Can we estimate the effect of these hypothetical twin matter clusters on light coming from distant sources? A photon, located in our fold of the Universe, cannot be captured by a twin matter particle, for purely geometric reasons. However, the twin matter clusters affect the photon's trajectories through negative gravitational lensing. Can we detect the presence of these clusters through a cosmological test? We can make an approximate evaluation, considering a not realistic situation where the Universe is described as Euclidean and stationary, which is suitable for moderate distances. The diameters φ of the twin matter clusters are very similar. As seen earlier, the standard deviations are small, so that we can model the space, at large distances, as a regular distribution of cells, each containing a spherical cluster at the center, and take the same diameter φ for all clusters. Let n be the density of clusters, assumed constant in space (h). A photon moves at speed c. The cross-section of a cluster is (i). The frequency of encounters is (remember that the photon cannot be absorbed by the clusters) (j). The mean free path is (k).

Can we estimate the number of galaxies whose image is altered by the negative lensing effect, at a given distance r? According to kinetic theory, we know how to calculate the probability of observing a free path of a given length r: it is (l).
Let (m) + (n) → (o). p depends strongly on the value of a. The probability p_e of observing a gravitational lensing effect is 1 – p, which corresponds to the following curves:

Fig. 3 : Probability of observing an anti-lens effect (negative lens) as a function of distance, for different values (relative) of the cluster diameter compared to the cell diameter.

The numerical results presented in the article correspond to the following value of the relative diameter of the clusters compared to the cells:

But dissipative processes can occur in the clusters, drastically reducing their diameter and transforming these objects. The current average ratio (density of twin matter / density of normal matter), |ρ̃|/ρ, is 64. If the clusters transform into relatively small objects, we could expect to obtain unaltered images from distant sources (quasars, galaxies). A galaxy cluster, in a first approximation, acts like a biconvex lens, while a twin matter cluster acts like a concave lens. The images of distant galaxies, passing through such a gravitational lens, should appear smaller, weaker and more numerous, as noted by Peebles (ref. [12], p. 311).

A possible scheme for the formation of galaxies.

……

When the cells form, the two populations separate. The twin matter clusters repel

As a conclusion, we still do not have a convincing model explaining why many galaxies have a spiral, barred or unbarred structure, nor whether this constitutes a transient phenomenon. Through analytical methods or numerical simulations, many researchers have suggested various mechanisms, which are mentioned here. Some now think that the solution requires a better understanding of galactic physics, particularly dissipative processes. These could cool the matter in the spiral arms and prevent its dissipation, but the problem is to justify how these dissipative processes occur. In 1972, Toomree wrote [30] : « Fortunately, it is a subject on which it remains relevant to start almost from scratch ».

This is precisely what we are going to do. This work was initiated by Frédéric Landsheat in the early 1990s, using two-dimensional simulations. To treat the boundary conditions, we used a classical periodic grid. Thanks to this method (see the discussion on spatially periodic systems in F. Bouchet and L. Hernquist, reference [31], as well as F. Bouchet, L. Hernquist and Y. Suto, reference [32]), we obtained in 1992 good quality films showing the birth of a barred spiral galaxy (figure 9), using 2 × 5000 mass points. The twin structure is not represented. As for the VLS, the pleasant surprise was the remarkable stability of the « Grand Design » over more than 50 turns. Same explanation: the surrounding repulsive twin matter forms a potential barrier that prevents the dissipation of the spiral arms. On figure 9, one observes the evolution of the angular momentum of the galaxy as a function of the number of turns. When the « Grand Design » forms, the observed slowdown is due to dynamical friction. Later, after a few turns, the marked effects become dominant.

Fig. 9 : Barred spiral (J.P. Petit & F. Landsheat, 1993)

These images were encouraging, but the work was interrupted because Landsheat, who was working at DAISY, Germany, had to join a new laboratory where he could not get an appropriate computer system.

Summary of the article

Original version (English)

Twin matter against dark matter

J.P.Petit, P.Midy

F.Landsheat

International Conference on

Astrophysics and Cosmology

Where is the matter ?

Marseille, 2001 june 25-29

Abstract

Recent 3d mapping of dark matter (Fort and Meillier 1999) implies the existence of "dark clusters", which would be exclusively composed by dark matter. Exploring a new way, one assume in a first step that dark matter owns a negative mass and energy and shows it fits observational data : VLS, spiral structure formation, confinement and rotation curves of galaxies, gravitational lensing. By passing it suggests a possible scenario for galaxies' formation. A new geometrical description of matter-dark matter couple is proposed, through a two-points cover of a M4 manifold, forming a two folds ( F ,

F) space-time structure. The fold

Fis called the twin fold (Sakharov 1967) and the matter it contains is called the twin matter. In such geometrical background matter and (negative mass and energy) twin matter interact only through gravitational forces, the last one being optically invisible from our fold of the Universe. Our world and the twin world being disconnected this prevents encounters between opposite energy particles. Group theory shows that matter-antimatter duality holds in the twin universe and that it is filled by CPT and PT-symmetrical matter, so that the Feynman PT-symmetrical antimatter is nothing but the antimatter of the twin fold, while CPT-symmetrical composes its matter, going backwards in time, enantiomorphic, and owing opposite electric charge. We present a coupled field equations system. Exact solutions are derived, including spherically symmetric one, similar to Schwarzschild. We get conjugated geometries, with opposite scalar curvatures

= - R. It is shown that the presence of twin matter in an adjacent portion of space creates

induced

local negative curvature in our fold, which goes with negative gravitational lensing effect. Comparizon with observational data is discussed. As a cosmological model the couple universe-twin universe shows different histories. The twin matter acts as a repulsive matter and accelerates the expansion of our universes, playing the role of a cosmological constant. Conversely the expansion of the twin in slowed down. For radiative era we develop a variable speed of light model, which ensures the homogeneity of the early univers : the inflation hypothesis is no longer necessary. Times nature is discussed. In Newtonian approximation, joint gravitational instability theory is developed, based on two coupled Jeans-like equations. Starting from the TOV equation, we build a model of sleaking neutron star (SNS) in which a central space bridge, connecting fold F and

F, drains off any excess of matter in the twin space, preventing geometrical criticity. This challenges black hole model, whose validity is contested on theoretical grounds.

1 -

Introduction

. Dark matter is now the unique answer to any astrophysical problem. It ensures the confinement of galaxies, shapes their rotation curves, is responsible on the observed strong gravitational lensing effects, shapes the VLS. A today's specialist in galactic dynamics deposits ad hoc dark matter distribution in each galaxy, in order to fit its observational rotation curve, which is now known with good accuracy, due to the efforts of many observers. But galactic dynamics, as conceived by men like Oort, Chandrasekhar, based on the joint resolution of Vlasov and Poisson equations is now an empty box. The law of physics become fuzzy. In order to explain the problem due to new evaluation of the Hubble's constant, theoreticians reactivate the so-called cosmological constant, while physicists wonder where the "repulsive power of vacuum" comes from. Astronomy shows a strange paradox : the observations become more and more precise, richer and sophisticated each year but nobody knows how a galaxy works and forms. The contemporary epoch is devoted to the discovery of the invisible. As the Machos' research finally failed, after ten years' effort, all speculations are now considered, the goal being to discover what dark matter is made of. Several research teams stake on the (indirect) observation of the neutralino, an exotic particle which is supposed to come from the supersymmetry's world and depends on 120 free parameters (seven, the specialists say, with some convenient and reasonable assumptions). Active search of "astroparticles" starts everywhere, in new labs. In France, Fort and Meillier have recently "mapped" dark matter, basing their study on the observed gravitational lensing effects. Since 1989 they have built an adequate method. They presented

[ 1 ]

, march 2000,

a 3d map of some portion of the Universe, showing the invisible, the underlyling dark matter. But in 1994 the first discrepancy arises [ 2 ]

Die beiden französischen Forscher entdeckten einen Bereich des Himmels, in dem ihre Analyse eine große Konzentration von Materie, die äußerst dunkel ist, lokalisiert. Im Jahr 1998 zeigte ein neues Bild, vom CFHT, dass dasselbe Phänomen in der Nähe des Galaxienhaufens Abell 1942 auftritt.

Siehe Abbildung 1.

Abb. 1: Pfeil: der (dunkle) Bereich des Himmels, in dem die Analyse von Fort und Meillier eine Konzentration von dunkler Materie findet, die der Masse von 5 10
14
Sonnemassen entspricht.

Die Grenze des exotischen dunklen Materiehaufens ist durch geschlossene dunkle Schleifen angegeben.

Verwirrt, um das Problem zu klären, entschlossen sie sich, neue Beobachtungen in verschiedenen Lichtfrequenzen durchzuführen. Aber dieses Ergebnis wurde bestätigt. Wenn ihre Methode richtig ist, liegt dort ein „dunkler Haufen“. Wie Fort in einer Interview im Juni 1999 sagte:

[ 2 ]

: „Es scheint mir schwierig zu denken, dass eine solche riesige Konzentration von dunkler Materie keine Galaxie oder Gas erfasst hätte“. Da ihre Studie sich auf einen Quadratgrad des Himmels bezieht, bedeutet dies, dass Astrophysiker in Zukunft, wenn der gesamte Himmel mit ihrer Methode abgebildet worden ist, mit einigen 10.000 „dunklen Haufen“ umgehen müssen. Dies zeigt, dass die Frage der dunklen Materie heute noch weit davon entfernt ist, klar zu sein. Es gibt Raum für herausfordernde Ansätze.

Was ist mit negativen Massen und Energien?

valeur_densite_gemellaire

Kann das Universum sowohl positive als auch negative Massen enthalten, offensichtlich aufgrund negativer Energie? Heute sind alle Spekulationen über „exotische Teilchen“ erlaubt. In einem ersten Schritt nehmen wir an, dass unser Universum eine Mischung aus positiven und negativen Massen ist und sehen, was passiert. Wir können annehmen, dass diese negative Energie-Materie einer Art exotischer Materie entspricht, die mit der gewöhnlichen Materie nur durch die Gravitationskraft wechselwirkt, keine Photonen emittiert oder einfängt (dies bedeutet, dass diese Materie dunkel und unsichtbar ist). Später beschäftigen wir uns mit einer anderen Hypothese, die eine „exotische Geometrie“ impliziert (Abschnitt 8).

Nehmen wir die Wechselwirkungsgesetze an (die später auch in Abschnitt 12 begründet werden).

Positive Massen ziehen sich durch das Newtonsche Gesetz an.
Negative Massen ziehen sich durch das Newtonsche Gesetz an.
Eine positive Masse m und eine negative Masse

stoßen sich durch das „antinewtonsche Gesetz“ ab.

Frühere Ergebnisse wurden 1994 in Nuevo Cimento veröffentlicht

[3]

. Die beiden Populationen trennen sich und erleben gemeinsame gravitative Instabilitäten.

2D-Simulation der VLS in Bezug auf die Wechselwirkung zweier Populationen mit entgegengesetzten Massen.

Im Jahr 1970 schlug Zel'dovich seine bekannte „Pfannkuchen-Theorie“ vor [ 5

Der Pfannkuchen-Effekt wurde erstmals von Doroshkevich und al.

[ 6 ]

, Klypin und Shandarin

[ 7 ]

, und Centrella & Mellot

[ 8 ]

demonstriert. Mellot und Shandarin (1990)

]

gaben eine elegante Demonstration des Effekts durch zweidimensionale Berechnungen, die eine deutlich bessere Auflösung für eine gegebene Teilchenzahl ermöglichten

[ 9 ]

. Shandarin, Kofman und Pogosyan stellten eine leistungsstarke semi-analytische Methode zur Vorhersage der Positionen der Pfannkuchen aus den Anfangsbedingungen vor [ 10 ]

[ 11 ]

. Kürzlich verwendete Mellot ein 3D-Set mit 643 Teilchen, mit periodischen Randbedingungen. Aus Mellots Ergebnissen bleiben die Dichteschwankungen klein. Wie von Peebles [ 12 ]

hervorgehoben:

„Dies kann nicht die ganze Geschichte sein, denn die gefundenen Pfannkuchen sind ein vorübergehender Effekt: mit zunehmender Zeit fließt die Masse in den Pfannkuchen in Klumpen, die in allen drei Dimensionen konzentriert sind. Das bedeutet, dass wenn die lokale Galaxien-Scheibe ein Pfannkuchen war, sie kürzlich gebildet worden sein muss“. Dann fragte Peebles: „Könnte es eine zweite Generation von Pfannkuchen geben, die aus der ersten Generation entstanden ist?“ Doch er kam sofort zu dem Schluss: „Das folgt nicht aus der hier gegebenen Analyse, denn es hängt von der Kontinuität des Geschwindigkeitsfeldes ab, das es ermöglicht, eine Reihe für die Entwicklung der relativen Positionen zu schreiben. Nach der Bildung der ersten Generation von Klumpen, die möglicherweise Galaxien oder ihre Vorfahren sind, hat das Geschwindigkeitsfeld im Allgemeinen nicht die Kohärenzlänge, und die Analyse aus der Kontinuität gilt nicht“. Als Schlussfolgerung kann die Pfannkuchen-Theorie den beobachteten großen Strukturzustand im Moment nicht beschreiben, also versuchen wir etwas anderes: wir nehmen Anfangsbedingungen mit gleichmäßigen Massenverteilungen für normale Materie (die wir einfach als Materie bezeichnen) und Zwillingsmaterie.

Gegeben die Massendichte der Materie und

die (negative) Massenverteilung der Zwillingsmaterie, wählen wir für Anfangsbedingungen

Auf dieser Ebene sehen wir einfach, was passiert. Wir haben 2D numerische Simulationen mit zwei Mengen von 5000 Massenpunkten durchgeführt, die als einige Cluster von Materie und Zwillingsmaterie mit Massen M>0 und

M<0 (was bedeutet, dass

½
M
½
= 64 M) dargestellt werden. Wir geben diesen beiden Mengen maxwellverteilte 2D thermische Geschwindigkeiten mit <

V> = 4 < V > . Wir ignorieren die Ausdehnungsphänomene (es wäre sehr schwierig damit umzugehen, da wir nicht wissen, wie man die Gravitationskraft in einem expandierenden Universum beschreibt). Das Ergebnis ist folgendes. Die massereichere Population, die Zwillingsmaterie, deren Jeans-Zeit acht Mal kürzer ist als die andere, spielt die Rolle und bildet durch gravitative Instabilität Klumpen, die die andere Population abstoßen und in den verbleibenden Raum einschließen. Wir erhalten eine 2D-zelluläre Struktur. Die charakteristische Geburtszeit der gesamten Struktur liegt nahe der Jeans-Zeit der schwereren Population (der negativen Massenmaterie, der Zwillingsmaterie).

Abb.

: Ergebnisse der Simulationen, durchgeführt von F. Lansheat.

Links: Zwillingsmaterie-Klumpen. Rechts: Materiestruktur.

Diese 2D-Simulationen sind bemerkenswert stabil in der Zeit. Natürlich sind sie 2D-Simulationen, daher müssen wir dieses Ergebnis als Illustration einer Idee betrachten. 3D-Simulationen sind weit außerhalb der Fähigkeiten unseres Rechensystems. Wir denken jedoch, dass wir in 3D 3D-Zellen erhalten würden, die wie verbundene Seifenblasen aussehen, um negative Massencluster herum. Das allgemeine Muster hängt von den Anfangsbedingungen ab. Je höher die Temperatur der Zwillingsmaterie, desto größer sind die Klumpen. Dieser Ansatz, der eine Modellierung der sehr großen Struktur des Universums anstrebt, unterscheidet sich grundlegend von den klassischen Ansätzen, die auf dunkler Materie basieren. In klassischen Materie-Dunkelmaterie-Systemen ist die Stabilität problematisch: die gravitative Instabilität erhöht lokal die Dichte, erhöht die thermischen Geschwindigkeiten und führt dazu, dass die beobachteten Strukturen im Laufe der Zeit verschwinden. Das System mit zwei abstoßenden Populationen ist qualitativ anders, wobei jede Population ein Potentialbarrier für die andere erzeugt. Dies erklärt die große Stabilität in Zeit und Raum: die Materiezellen halten die Zwillingsmaterie-Klumpen an Ort und Stelle, und die Klumpen verhindern die Auflösung der zellulären Struktur.

Auf Abbildung 5 sei d der Durchmesser einer Zelle und

f der Durchmesser eines Klumpens. Für verschiedene gegebene Anfangsbedingungen und zufällige Anfangspositionen der Massenpunkte ändert sich die Anzahl der Klumpen n
c
(und Zellen auf dem Bildschirm) nicht sehr. Die Standardabweichung folgt (a).

rapport_clump_sur_cell

Das Gleiche gilt für die Massen und Durchmesser der Klumpen (b), (c)

Wir können einige Merkmale dieser speziellen numerischen Berechnung untersuchen. Die Materie bildet eine zelluläre Struktur. Nennen wir

r s
die mittlere Massendichte der Materie in dieser Struktur. Außerhalb der Klumpen hat die Zwillingsmaterie eine konstante Dichte (Unterschrift e, für „äußere“), entsprechend (d).

Der mittlere Durchmesser der Klumpen im Vergleich zum mittleren Durchmesser der Zellen folgt (e).

Wir definieren eine Art „Pseudotemperatur“, als Maß für die mittlere kinetische Energie in diesen 2D-Gasen (f). Wo wir haben (g).

T bezieht sich auf eine Temperatur (eines Gases aus Materie)

vor

der Galaxienbildung. Können wir den Effekt dieser hypothetischen Zwillingsmaterie-Klumpen auf das Licht aus fernen Quellen abschätzen? Ein Photon, das in unserem Bereich des Universums lokalisiert ist, kann von einem Zwillingsmaterie-Teilchen nicht aufgrund rein geometrischer Gründe erfasst werden. Aber Zwillingsmaterie-Klumpen wirken auf den Weg des Photons durch negative Gravitationslinsen. Kann die Anwesenheit von Zwillingsmaterie-Klumpen durch einige kosmologische Tests nachgewiesen werden? Wir können eine grobe Abschätzung erstellen, indem wir eine nicht realistische Situation annehmen, in der das Universum als euklidisch und stationär beschrieben wird, was moderate Entfernungen entspricht. Die Durchmesser phi

der Zwillingsmaterie-Klumpen sind sehr ähnlich. Wie zuvor gesehen, sind die Standardabweichungen gering, sodass wir den Raum über große Entfernungen als reguläre Verteilung von Zellen betrachten können, mit einer kugelförmigen Klumpen in der Mitte jeder Zelle, und wir können den gleichen Durchmesser

für alle Klumpen annehmen. Nennen wir n die Dichte der Klumpen, die als konstant über den Raum angenommen wird (h). Ein Photon bewegt sich mit der Geschwindigkeit c. Die Querschnittsfläche eines Klumpens ist (i). Die Begegnungsfrequenz ist (erinnern Sie sich daran, dass das Photon von den Klumpen nicht absorbiert werden kann) (j). Der mittlere freie Weg ist

(k).

Können wir die Anzahl der Galaxien bestimmen, deren Bild durch den negativen Linseneffekt bei einer gegebenen Entfernung r verändert wird? Aus der kinetischen Theorie wissen wir, wie man die Wahrscheinlichkeit berechnet, einen freien Weg einer bestimmten Länge r zu beobachten. Es ist (l).

Lassen Sie (m) + (n) dann (o). p hängt stark von dem Wert von

a
ab. Die Wahrscheinlichkeit und

um einen Gravitationslinseneffekt zu erhalten, ist 1 - p, was den Kurven entspricht:

Abb.

: Wahrscheinlichkeit, einen Anti-Linseneffekt (negativen Linseneffekt) zu beobachten

im Vergleich zur Entfernung, für verschiedene (rrelative) Werte des Durchmessers der Klumpen

Die berechneten Ergebnisse, die im Papier vorgestellt werden, entsprechen dem Wert dieser relativen Durchmesser der Klumpen im Vergleich zu der Zelle:

Aber dissipative Prozesse können in den Klumpen auftreten, die deren Durchmesser stark reduzieren und diese Objekte verändern. Das heutige durchschnittliche Verhältnis (Zwillingsmateriedichte / normale Materiedichte)

I r I / r

ist 64. Wenn Klumpen in relativ kleine Objekte umgewandelt werden, könnten wir unveränderte Bilder von fernen Quellen (Quasaren, Galaxien) erwarten. Ein Galaxienhaufen wirkt grob gesagt wie eine bikonvexe Linse. Ein Zwillingsmaterie-Klumpen würde wie eine konkave Linse wirken. Die Bilder entfernter Galaxien, durch solche Gravitationslinsen, sollten kleiner, schwächer und zahlreicher erscheinen, wie von Peebles (Referenz [12], Seite 311) angemerkt.

Ein mögliches Schema für die Galaxienbildung.

......

Wenn die Zellen sich bilden, trennen sich die beiden Populationen. Die Zwillingsmaterie-Klumpen stoßen und komprimieren die gewöhnliche Materie, wodurch die Zellwände gebildet werden. In diesen Wänden steigt die Temperatur und diese besondere geometrische Anordnung ist optimal für schnelle strahlende Energieabgabe. Die nachfolgende Temperaturabnahme in der Gaswand führt zu gravitativer Instabilität, und Proto-Galaxien bilden sich. Gleichzeitig nimmt die Zwillingsmaterie im intergalaktischen Raum Platz ein und übt einen Gegen-Druck auf sie aus, der ihre Einschließung sicherstellt.

Abb.

: Ein mögliches Schema für die Galaxienbildung. Links: Materie wird durch den abstoßenden Effekt der Zwillingsmaterie-Klumpen, die sich in der Mitte der Zellen befinden, komprimiert. Rechts: schnelle strahlende Abkühlung dieser Materie, die instabil wird und junge Galaxien bildet.

Wie wir sehen, bringt dieses Modell neue Einsichten in astrophysikalische Probleme und verdient 3D-Berechnungen. Lassen Sie uns die Frage der Einschließung von Galaxien genauer betrachten.

Galaxien, eingeschlossen durch den Gegen-Druck der umgebenden Zwillingsmaterie.

Jeder weiß, dass kein selbstkonsistentes Modell einer Galaxie existiert. Ihre Beschreibung bleibt rein empirisch. Die galaktische Dynamik ist ein vollständiges Rätsel. Heute sprühen Theoretiker ad-hoc-Verteilungen von nicht identifizierter dunkler Materie, um Gasrotationskurven zu passen, das ist alles. Versuchen wir, dies durch die Wechselwirkung von Materie und umgebender Zwillingsmaterie zu modellieren. Wir beginnen mit dem Dichteprofil der Galaxie, wie von Myamoto und Nagaï [13] gegeben:

Umgeben installieren wir eine Reihe von elliptischen Zwillingsmaterie-Schalen, die die gleiche Exzentrizität haben, deren Dichte von der Mitte bis ins Unendliche wächst (siehe ihr Dichteprofil, Abbildung 5, unten). Das newtonsche Feld, das von solch einer dicken Schale erzeugt wird, ist durch eine einfache analytische Formel gegeben [14].

Nun fügen wir die Galaxie hinzu, die das Gravitationsfeld hauptsächlich in der Nähe des Zentrums verstärkt, wo die Druckkraft das Feld ausgleicht. Wie in Abbildung 3 gezeigt, hat das Gravitationsfeld eine einschließende z-Komponente. Dieses Phänomen könnte die anomalen großen z-Geschwindigkeiten erklären, die von Bahcall ( [16] und [17] ) für K-Sterne nachgewiesen wurden. Eine vollständige und systematische Studie sollte mit dieser Methode durchgeführt werden. Bei der Suche nach diesen großen Geschwindigkeiten kommt Bahcall zu dem Schluss, dass einige dunkle Materie im Scheibenbereich der Galaxien vorhanden sein muss. Gemäß unserem Modell könnte dies auf den abstoßenden Effekt von

Abb.

Ad-hoc-Zwillingsmaterie-Verteilung für 3D-Einschließung.

Die Dichte ist konstant zwischen aufeinanderfolgenden homothetischen flachen Ellipsoiden.

umgebende abstoßende dunkle Materie zurückzuführen sein: eine alternative Interpretation. Im Allgemeinen, ausgehend von Beobachtungsdaten, können Menschen die Verteilung berechnen

„konventionelle“ dunkle Materie im Raum. Ebenso ist es möglich, auf der Grundlage derselben Beobachtungsdaten eine entsprechende Verteilung zu erstellen

der abstoßenden dunklen Materie, durch die oben beschriebene Methode. Die lokale Intensität des Gravitationsfeldes hängt von der gewählten Verteilung ab. Hier haben wir ein System konzentrischer Schalen verwendet, dargestellt als eine Menge dicker Ellipsoide mit gleicher Exzentrizität (aber die Exzentrizität könnte unterschiedlich sein: jede Art von Verteilung

der abstoßenden dunklen Materie kann mit dieser Methode verarbeitet werden). Wir erhalten eine Rotationskurve, die der Bewegung von Gas in der Ebene z = 0 entspricht, gut aussehend, wie in Abbildung 7 gezeigt. Die Skala, die gezeigt wird, entspricht Abbildung 8.

Abb.

Einschließendes Feld und entsprechende Rotationskurve

(

kreisförmige Geschwindigkeit von

m = +1

Testteilchen

)

Abb.

: Die Galaxie, plus ihre Umgebung aus heißer Zwillingsmaterie.

Abb.

: Durch Kombination der beiden Felder erhalten wir eine gut aussehende galaktische Rotationskurve.

Die Umgebung der abstoßenden dunklen Materie wirkt wie ein „Kasten“. Je flacher dieser Kasten ist, desto stärker ist der entsprechende Einfluss auf den z-Einschluss-Effekt. Mit den gewählten Parametern vergrößert der z-Einschluss die Geschwindigkeit der Sterne, die sich bei z = 0,2 dg (wo d
g
der Gesamtdurchmesser der Galaxie ist) befinden, um einen Faktor 1,4. Übrigens erklärt die Anwesenheit von abstoßender Materie in der Nähe der Galaxie den steilen Abfall der Dichte am Rand des Gasdiskus. Das gesamte Gravitationsfeld (das auf die abstoßende dunkle Materie wirkt) tendiert dazu, die Lücke zu vergrößern. Aber sein Druckgradient gleicht es aus: wenn die Galaxie entfernt wird, füllt die abstoßende dunkle Materie die Lücke. Die Verteilung der abstoßenden dunklen Materie wurde empirisch durch zahlreiche Versuche und verschiedene Mengen von massiven Ellipsoiden geformt. Sie könnte ein Ausgangspunkt für vollständige 3D-numerische Simulationen sein, die außerhalb unserer heutigen Rechenkapazitäten liegen. Außerdem glauben wir, dass ein eleganteres Modell mit Vlasov-Gleichungen, gekoppelt mit der Poisson-Gleichung, gebaut werden könnte. Übrigens, sind sphärische Galaxien auf die gleiche Weise eingeschlossen, in sphärischen Löchern mit konstanter Dichte Zwillingsmaterie? Ist das nicht widersprüchlich mit dem Gaußschen Theorem, das eine Null-Newton-Feld innerhalb des Lochs tendiert? Um die Antwort zu erhalten, gehen Sie zu Abschnitt 18.

Spiralstruktur.

bil_deb

Schon seit vielen Jahren versuchen Astrophysiker zu verstehen, was die Spiralmuster der Galaxien erzeugt, und ob es sich um ein vorübergehendes Phänomen handelt oder nicht. 1959 schlug Lindblad [18] vor, dass die Spiralarme Dichtewellen sein könnten. Später betrachteten Lin und Shu das Spiralmuster als Wellenmuster [19]. Ihre Analyse, basierend auf dem Satz der Vlasov- und Poisson-Gleichungen, verwendete eine Störungsmethode, die keine nichtlinearen Muster liefern konnte, sodass sie vermuteten, dass einige Spiralstörungen in der Sternpopulation auftreten könnten und das Gas auslösen, dessen stark nichtlineare Reaktion die beobachteten Grand Design-Strukturen erklären könnte. Toomree gab später theoretische Argumente, die diese Idee unterstützten [20]. Anfang der siebziger Jahre untersuchte Toomree eine andere Interpretation der Spiralursprünge: die Wirkung eines Begleiters [21]. Dies wurde später erweitert ([22] und [23]). Tatsächlich haben einige der schönsten Beispiele für globale Spiralstrukturen nahe Begleiter, wie das bekannte M51 [24], aber nicht alle Galaxien mit globaler Spiralstruktur haben einen nahegelegenen Begleiter.

Typischerweise besteht eine Galaxie aus 10
11
Sternen. In numerischen Simulationen werden 10
4
bis 10
6
interagierende Objekte behandelt, die als selbstgravitierende Sterngruppen angesehen werden. Die meisten Simulationen, die bisher durchgeführt wurden, waren 2D und ignorierten z-Bewegungen. Einige vollständige Berechnungen wurden versucht [25]. Eine Reihe früherer Simulationen bestätigten, dass isolierte Scheiben achsensymmetrisch instabil sind: ein Balken bildet sich in der frühen Phase der Evolution und, mit relativ geringen Änderungen der Amplitude, Form und Muster-Geschwindigkeit, überlebt den Endberechnung. Aber wenn sich ein Spiralmuster bildet, neigt es dazu, recht schnell zu verschwinden. Vorübergehende Spiralstrukturen erscheinen in der Anfangsphase jedes Laufs, aber es heizt die Scheibe auf, wenn die Balkeninstabilität nicht unterdrückt wird, was die Spiralen erstickt [26].

Die schwedische Schule war Pionier in der Untersuchung von wechselwirkenden Galaxien [27]. Siehe auch Referenz [28]. Aber nicht alle Spiralgalaxien sind wechselwirkende Galaxien, sodass das Problem weiterhin ungelöst bleibt. In anderen Arbeiten, basierend auf numerischen Simulationen, untersuchten Menschen „impulsiv gestörte Galaxien“, ohne die Ursache der Störung zu beschreiben [29].

Zusammenfassend haben wir immer noch kein überzeugendes Modell, das erklärt, warum viele Galaxien eine Spiralstruktur haben, mit oder ohne Balken, und ob es sich um ein vorübergehendes Phänomen handelt oder nicht. Durch analytische Methoden oder numerische Simulationen haben viele Leute verschiedene Mechanismen vorgeschlagen. Einige denken jetzt, dass die Lösung eine bessere Kenntnis der Physik der Galaxie, einschließlich dissipativer Prozesse, erfordert. Solche Prozesse könnten das Material der Spiralarme kühlen und deren Auflösung verhindern, aber das Problem ist, zu begründen, wie diese dissipativen Prozesse ablaufen. 1972 schrieb Toomree [30]: „Glücklicherweise bleibt es ein Thema, in dem es sinnvoll ist, fast von Anfang an zu beginnen“.

Das ist das, was wir tun werden. Diese Arbeit wurde von Frederic Landsheat am Anfang der neunziger Jahre durch 2D-Simulationen initiiert. Um Randbedingungen zu behandeln, verwendeten wir ein klassisches periodisches Gitter. Mit solcher Methode (siehe Diskussion über räumlich periodische Systeme in F. Bouchet und L. Hernquist, Referenz

[31]

und F. Bouchet, L. Hernquist und Y. Suto, Referenz

[32]

) erhielten wir 1992 gute Filme, die die Geburt eines geblichen Spiralgalaxien (Abb. 9) mit 2
x
5000 Massenpunkten zeigten. Die doppelte Struktur wird nicht gezeigt. Was VLS betrifft, war die große Überraschung die bemerkenswerte Stabilität des Grand Design über 50 Umdrehungen. Gleiche Erklärung: die umgebende abstoßende Zwillingsmaterie bildet ein Potentialbarrier, die die Auflösung der Spiralarme verhindert. Auf Abbildung 9 die Entwicklung des Impulses der Galaxie, im Verhältnis zur Anzahl der Umdrehungen. Wenn das Grand Design entsteht, ist die starke beobachtete Verlangsamung auf dynamische Reibung zurückzuführen. Danach, nach ein paar Umdrehungen, dominieren Gezeitenwirkungen.

Abb.

: Geblicher Spiralgalaxie (J.P. Petit & F. Landsheat, 1993)

Diese Bilder waren ermutigend, aber die Arbeit wurde gestoppt, weil Landsheat, der bei DAISY in Deutschland arbeitete, zu einem neuen Labor wechseln musste, wo er kein geeignetes Rechensystem nutzen konnte.

Zusammenfassung des Artikels