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/ NetNews Usenet Archive 1993 #1 / NN_1993_1.iso / spool / sci / physics / 22145 < prev    next >
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Internet Message Format  |  1993-01-06  |  6.7 KB

  1. Xref: sparky sci.physics:22145 sci.astro:13685
  2. Path: sparky!uunet!gumby!destroyer!news.itd.umich.edu!pablo.physics.lsa.umich.edu!metzler
  3. From: metzler@pablo.physics.lsa.umich.edu (Chris Metzler)
  4. Newsgroups: sci.physics,sci.astro
  5. Subject: Re: reported dark matter observation (PART 2)
  6. Date: 6 Jan 1993 06:02:57 GMT
  7. Organization: University of Michigan Department of Physics
  8. Lines: 119
  9. Distribution: world
  10. Message-ID: <1idsmhINN17d@terminator.rs.itd.umich.edu>
  11. References: <1993Jan5.235706.25449@wam.umd.edu> <1idbrdINNsrl@terminator.rs.itd.umich.edu>
  12. NNTP-Posting-Host: pablo.physics.lsa.umich.edu
  13.  
  14. In article <1993Jan5.235706.25449@wam.umd.edu>, mrmuon@next06pg2.wam.umd.edu (Eli John Hawkins) writes:
  15. |> I saw a brief item las night on an overnight news show. It was something  
  16. |> about dark matter having been observed with X-ray astronomy and that it is  
  17. |> supposed to be enough to close the universe.
  18. |> I imagine that someone on the net knows more about this.
  19. |> Has this been published (if so, where) or just announced?:
  20. |> What's the deal?
  21. |> --
  22. |> Eli Hawkins : mrmuon@wam.umd.edu
  23. |> 
  24.  
  25. OK, here's the rest of the deal.  In the other note I put the short answer
  26. to this question, as well as the description of how baryon mass and total
  27. binding mass estimates give you a value of \Omega_o.  This will explain
  28. how you get those mass estimates, and how this all relates to
  29. Mushotzky et al's announcement.
  30.  
  31. 2.  How do you get the total mass of the cluster when you can't see the
  32. dark matter?  One way is to use gravitational binding arguments on the
  33. group or cluster galaxies.  If you know how far they are from the
  34. center of the cluster, and you know how fast they're going, and you
  35. assume that either the galaxy orbits are circular, or that their
  36. trajectories ("velocity dispersions") are isotropically distributed,
  37. then it's simple physics to calculate the mass of the group or cluster
  38. within a certain radius.  The problem with this, however, is that there's
  39. a lot of reason to believe that the galaxy orbits AREN'T isotropically
  40. distributed -- both "experimental" (i.e. through simulations) and
  41. observational.  In particular, anisotropies in the velocity
  42. dispersions tend to result in underestimates of the binding mass.
  43.  
  44. A believed-to-be-more-reliable method is to get the binding mass (total
  45. mass within a certain radius) by X-ray observations.  Cluster gas is
  46. hot -- from 10^6 K for small groups to 10^7-10^8 K for rich clusters.
  47. If you assume that the gas is in hydrostatic equilibrium (that is,
  48. that the gravitational force pulling a parcel of gas down is exactly
  49. equal to its pressure support), and also assume the ideal gas law
  50. applies, then you can get a simple formula for the binding mass
  51. within a certain radius.  The observables in the formula are the
  52. radius, the temperature at that radius, and the temperature
  53. and density slope (vs radius) at that radius.  This is believed
  54. to be fairly reliable.  The same N-body plus hydrodynamic simulations
  55. which give underestimated optical mass estimates (using cluster
  56. galaxy velocity dispersions -- see paragraph above) give X-ray
  57. mass estimates that are bang on.
  58.  
  59. 3.  Mushotzky's group measured an X-ray binding mass for this small
  60. group of galaxies and found a very large mass, and thus a very
  61. small baryonic fraction, and thus a large \Omega_o.
  62.  
  63. This result is in direct contrast with small \Omega_o values (0.1-0.3)
  64. obtained by following the EXACT SAME PROCEDURE, only on rich clusters
  65. of galaxies rather than small groups.
  66.  
  67. There are four ways to interpret this:
  68.  
  69. a) This newly announced result is wrong.  I don't know much about the
  70. group they observed, but it's hard for me to see how they were able
  71. to get both a gas temperature, and a temperature slope, at large
  72. radii from the center of the group (~400 kpc or so).  The reason
  73. that this technique has been applied primarily to nearby rich clusters
  74. is because they occupy a large solid angle on the sky, and thus are
  75. easier to observe at several points radially.  And even then, we don't
  76. have reliable measurements of temperatures out very far in the cluster
  77. (~2 Mpc or so); that's the equivalent of what they've done here.  So
  78. I'm not sure how seriously to take this result.
  79.  
  80. b) The rich cluster observations which predict \Omega_o is low are
  81. wrong.  This is possible, but not very probable.  This is what
  82. theorists would like to be true, and accordingly theorists have
  83. worked very hard to show how this might be true.  What the critiques
  84. boil down to is assailing the assumptions of hydrostatic equilibrium
  85. or of ideal gas-ness.  Certainly the degree of substructure we see
  86. in X-ray surface brightness profiles tells us that in many (perhaps
  87. even most) clusters, the gas hasn't relaxed yet.  And the work I'm
  88. doing suggests that clusters can be out of hydrostatic equilibrium,
  89. have significant substructure, and yet look very relaxed and in
  90. hydrostatic equilibrium if you're looking in the right direction
  91. (this happening about 15% of the time).  But if the gas isn't in
  92. hydrostatic equilibrium, then the total binding mass estimates
  93. ought to be off, and there's no reason to believe that they'd
  94. consistently be off the same way, getting larger as you go to
  95. larger clusters with larger gas masses.  In other words, the fact
  96. that when we do this with different rich clusters, we keep getting
  97. about the same value, tells us that there's probably no problem.
  98.  
  99. c) Neither set of observations are wrong, but this group of
  100. galaxies is not a representative object; it's an oddity.
  101. Then while the structure of this group may be interesting,
  102. it doesn't tell us anything about \Omega_o per se.
  103.  
  104. d) Neither set of observations are wrong, and this group of
  105. galaxies is representative.  If this very exciting
  106. possibility is true, then \Omega_o is probably high, because
  107. small groups are more representative of the universe than rich
  108. clusters are.  But then we are faced with explaining why dark
  109. matter is more concentrated in small groups than in rich clusters.
  110. Very strange.
  111.  
  112. -----------------------------------------
  113.  
  114. I should point out in closing that the statement I read in the
  115. newspapers to the effect that this is the first observational
  116. evidence that \Omega_o might be high (~1) is false.  Observations
  117. of substructure in clusters suggests a value greater than 0.5, as
  118. do various observations of the galaxy peculiar velocity field.
  119.  
  120. So in summary, this is a very interesting observation, but how
  121. excited to get is going to take some time to tell.
  122.  
  123. WHEW!  Hope this wasn't too boring, folks.
  124.  
  125. -- 
  126. SNAILMAIL:                                       AT&TMAIL:
  127. Chris Metzler                                    313-764-4607 (office)
  128. Department of Physics, University of Michigan    313-996-9249 (home)
  129. Randall Lab, 500 E. University
  130. Ann Arbor, MI  48109-1120 USA
  131.  
  132. E-MAIL:  metzler@pablo.physics.lsa.umich.edu
  133.