تاريخ الفيزياء
علماء الفيزياء
الفيزياء الكلاسيكية
الميكانيك
الديناميكا الحرارية
الكهربائية والمغناطيسية
الكهربائية
المغناطيسية
الكهرومغناطيسية
علم البصريات
تاريخ علم البصريات
الضوء
مواضيع عامة في علم البصريات
الصوت
الفيزياء الحديثة
النظرية النسبية
النظرية النسبية الخاصة
النظرية النسبية العامة
مواضيع عامة في النظرية النسبية
ميكانيكا الكم
الفيزياء الذرية
الفيزياء الجزيئية
الفيزياء النووية
مواضيع عامة في الفيزياء النووية
النشاط الاشعاعي
فيزياء الحالة الصلبة
الموصلات
أشباه الموصلات
العوازل
مواضيع عامة في الفيزياء الصلبة
فيزياء الجوامد
الليزر
أنواع الليزر
بعض تطبيقات الليزر
مواضيع عامة في الليزر
علم الفلك
تاريخ وعلماء علم الفلك
الثقوب السوداء
المجموعة الشمسية
الشمس
كوكب عطارد
كوكب الزهرة
كوكب الأرض
كوكب المريخ
كوكب المشتري
كوكب زحل
كوكب أورانوس
كوكب نبتون
كوكب بلوتو
القمر
كواكب ومواضيع اخرى
مواضيع عامة في علم الفلك
النجوم
البلازما
الألكترونيات
خواص المادة
الطاقة البديلة
الطاقة الشمسية
مواضيع عامة في الطاقة البديلة
المد والجزر
فيزياء الجسيمات
الفيزياء والعلوم الأخرى
الفيزياء الكيميائية
الفيزياء الرياضية
الفيزياء الحيوية
الفيزياء العامة
مواضيع عامة في الفيزياء
تجارب فيزيائية
مصطلحات وتعاريف فيزيائية
وحدات القياس الفيزيائية
طرائف الفيزياء
مواضيع اخرى
Dark Matter
المؤلف:
Sidney B. Cahn, Gerald D. Mahan And Boris E. Nadgorny
المصدر:
A GUIDE TO PHYSICS PROBLEMS
الجزء والصفحة:
part 2 , p 38
25-8-2016
1390
Dark Matter
From virial theorem arguments, the velocity dispersions of bright stars in dwarf elliptical galaxies imply that most of the mass in these systems is in the form of “dark” matter - possibly massive neutrinos (see Figure 1.1). The central parts of the Draco dwarf galaxy may be modeled as an isothermal gas sphere, with a phase-space distribution of mass of the form
Here, ρ(r) is the local mass density in the galaxy, σ is the velocity dispersion, and m is the mass of a typical “particle” in the galaxy. Measurements on Draco yield light years). r0 is the “core” radius, where the density has decreased by close to a factor of 2 from its value at r = 0.
a) Using the virial theorem, write a very rough (order of magnitude) relation between r0, σ, and ρ(0).
b) Assume that most of the mass in Draco resides in one species of massive neutrino. Show how, if the Pauli exclusion principle is not to be violated, the distribution function above sets a lower limit on the mass of this neutrino.
c) Using the observations and the result of part (a), estimate this lower limit (in units of eV/c2) and comment on whether current measurements of neutrino masses allow Draco to be held together in the manner suggested.
Figure 1.1
SOLUTION
a) The virial theorem may be written relating the average kinetic energy, 〈T〉, and the forces between particles:
For an inverse square law force (gravitation), the average kinetic energy 〈T〉 and potential energy 〈U〉 are related as
(1)
For a very rough estimate of the gravitational potential energy of Draco, consider the energy of a sphere of uniform density ρ(0) and radius r0:
(2)
The average kinetic energy may be approximated by
(3)
Substituting (2) and (3) into (1), we find
(4)
b) If most of the mass of Draco is in massive neutrinos, we may estimate the energy by considering the energy of a uniform distribution of fermions in a box of volume V. The energy of such a fermionic gas:
(5)
Rewriting (5) in terms of density and volume gives
(6)
If the mass of the neutrino is too low, in order to maintain the observed density, the number density would increase, and the Pauli principle would require the kinetic energy to increase. So, in (6), the energy increases as the mass of the neutrino decreases. Equating the kinetic energy from (a) with (6), we see
(7)
c) Substituting (4) into (7), we determine that
This value is at least an order of magnitude larger than any experimental results for neutrino masses, implying that the model does not explain the manner in which Draco is held together.