Dwa gatunki ciemnej materii?

45

W tym momencie dowody na istnienie ciemnej materii zgromadziły się na wiele sposobów:

  • wpływa na krzywe galaktyczne obrotu
  • odgrywa ważną rolę w kosmologii i ewolucji struktury we wszechświecie
  • jest przewidywany w dużych ilościach przez soczewkowanie grawitacyjne w szerokim zakresie skal
  • wpływa na dynamikę gromad galaktyk

żeby wymienić tylko kilka.

Istnieje wiele znanych kandydatów na cząstki ciemnej materii: WIMP , osi , WISP , neutrina itp. (W rzeczywistości nawet cegły, choć niektóre inne względy by je wykluczyły).

Pytanie zatem brzmi : dlaczego spodziewamy się, że tylko jeden rodzaj cząstek ciemnej materii jest odpowiedzialny za fenomenologiczną ciemną materię?

Na przykład Kosmologia CDM, standardowy model kosmologiczny, wymaga, aby ciemna materia była zimna (powolna, nierelatywistyczna), co służy ograniczeniu możliwych właściwości cząstek ciemnej materii. Nie oznacza to jednak, że ciemna materia jest zimna dla wszystkich układów astrofizycznych. Na przykład galaktyczne aureole mogą być wykonane z ciepłej ciemnej materii, a aureole karłowatych galaktyk z zimnej ciemnej materii.Λ

Można oczywiście powiedzieć, że model jednego gatunku jest najprostszy. Kontrargumentem byłoby to, że w rzeczywistości może istnieć wiele gatunków. To z kolei może mieć głębokie implikacje dla modeli astrofizycznych.

Podsumowując pytanie: czy istnieje jakiś dobry powód, najlepiej poparty obserwacjami, aby sądzić, że we wszystkich obecnie używanych modelach występuje tylko jeden gatunek ciemnej materii?

Alexey Bobrick
źródło
3
Bardzo miłe pytanie!
Dilaton,
1
Kilka rzeczy. Co to są WISP i co rozumiesz przez „cegły”? Ponadto słowo „zimno” w zimnej ciemnej materii oznacza, że ​​w momencie oddzielenia ciemnej materii nie była ona relatywistyczna (powolna w porównaniu z prędkością światła). LCDM przewiduje bardzo dobrze struktury w dużych skalach, jest to niedopasowanie w mniejszych skalach, które motywuje ludzi do myślenia o ciepłej / gorącej ciemnej materii, ponieważ ciepłe rzeczy mają mniejszą strukturę w małych skalach.
astromax,
3
Myślę jednak, że to dobre pytanie. Jest całkiem możliwe, że składnik ciemnej materii we wszechświecie jest w rzeczywistości więcej niż jednym typem masywnej cząstki, być może takiej, która oddziałuje słabo, a która nie. Dodanie sił, przez które cząstki mogą oddziaływać, dodałoby dodatkowe możliwości transferu energii do i z tych komponentów. Ta ciemna materia to jeden „gatunek” cząsteczki, po prostu najbardziej naturalna rzecz, o której należy pomyśleć w pierwszej kolejności.
astromax,
1
@astromax, dziękuję za Twój wkład! WISP, na przykład według wiki, oznacza słabo oddziałujące cząsteczki sub-eV, takie jak osi. Cegły to raczej żart. Jeśli jednak masz obiekty, których ciężar jest równy zwykłym cegłom, odpowiednio rozmieszczone, będą one dynamicznie zachowywać się mniej więcej dokładnie tak, jak ciemna materia (bez sił z wyjątkiem grawitacji). Zatem „zimny (wolny)” implikuje nierelatywistyczne prędkości, chociaż dodam to dla jasności.
Alexey Bobrick
1
@astromax, dziękuję również za wskazanie skali. Rzeczywiście miałem na myśli, że ciemna materia, która nie jest zimna, struktura na dużą skalę wyglądałaby znacznie bardziej rozmyta niż jest, i dlatego doszedłem do wniosku, że jest szczególnie ważne w przypadku małych struktur, że ciemna materia jest zimna, a mniej w przypadku większych Struktury. Czy możesz skomentować, skąd bierze się ta rozbieżność? W przeciwnym razie Twoje pomysły wyglądają rozsądnie. Byłbym bardzo szczęśliwy, widząc je w nieco bardziej rozbudowanej formie jako odpowiedź.
Alexey Bobrick

Odpowiedzi:

22

Gorąca ciemna materia byłaby zbudowana z bardzo jasnych, szybko poruszających się cząstek. Cząstki takie nie mogłyby być związane grawitacyjnie z żadną strukturą, ale raczej byłyby rozproszone po całym wszechświecie.

Ale ciemna materia jest zawsze „znaleziona” (lub „wywnioskowana”) albo grawitacyjnie związana z jakąś widoczną strukturą (np. Słabe wykrywanie soczewkowania ciemnej materii związane ze zderzaniem się gromad galaktyk / płaskie krzywe rotacji galaktyk spiralnych / nienormalna dyspersja prędkości w gromadach galaktyk ) lub niezwiązane z niczym widocznym, ale mimo to tworzące grudki (słabe wykrywanie soczewkowania gromad galaktyk wcześniej niewidocznych ). Dlatego uważa się, że ciemna materia jest zimna .

Ponadto istnieje wyraźne rozróżnienie między tymi dwoma typami: nie ma czegoś takiego jak ciemna materia, która „nie byłaby zbyt zimna, ale też nie jest zbyt gorąca” (patrz także przypis). Ciemna materia jest albo zbudowana z cząstek o wartości mniejszej niż ~ 10 eV (gorąca ciemna materia, zbudowana z lekkich cząstek, głównie wszędzie rozproszonych) lub cząstek o więcej niż ~ 2 GeV (cięższe, wolniejsze cząstki związane grawitacyjnie z jakąś strukturą). Obie granice występują przy narzucaniu maksymalnej ilości, w jakiej cząstki kandydujące (neutrina lub coś bardziej egzotycznego) mogą przyczynić się do rzeczywistej wartości parametru gęstości z powodu materii w naszym rozszerzającym się Wszechświecie.

Tak więc albo DM wydaje się związany grawitacyjnie (zimny DM) lub rozproszony (gorący DM), a oba typy są wyraźnie różne (10 ev vs 2 Gev). Obserwacje faworyzują pierwszy przypadek. Jednak Cold Dark Matter nie jest najlepszym rozwiązaniem i wciąż napotyka pewne problemy.

Jeśli chodzi o możliwość mieszanych rozwiązań, wiele z nich zostało już wykluczonych. Mikrosoczewkowanie wykluczyło możliwość niewidzialności zwartych obiektów (brązowe karły, gwiazdy, gwiezdne czarne dziury) w galaktycznych aureolach, w naszym galaktycznym sąsiedztwie, a także w sferze pozagalaktycznej . Zwykła materia (kamienie, cegły, kurz) nie może być, w przeciwnym razie staną się gorące i promieniują ponownie. Żadna egzotyczna mieszanka znanych cząstek nie działa.

Wydaje nam się, że wiemy tylko, że DM musi być wykonany z ciężkich cząstek, które dopiero zostaną odkryte. Aby wprowadzić bardziej złożony model (np. Różne typy cząstek w zależności od struktury, do której wydają się być przywiązani), potrzebne jest uzasadnienie (tj. Niektóre prognozy, które lepiej zgadzają się z rzeczywistością) i nikt jeszcze nie był w stanie tego zrobić.


Uwaga: Cząstki ciemnej materii, zarówno z rodzaju gorącego, jak i zimnego, nie są w stanie „zwolnić” i zbytnio się zbić (np. Tworząc planety), ponieważ nie wchodzą w interakcje elektromagnetyczne jak zwykła materia, dlatego mówi się, że DM bezkolizyjny . Gdziekolwiek infalling zwykła materia tworzy jakąkolwiek strukturę (np. Protostars lub dyski akrecyjne ), bardzo ważną częścią procesu jest termizacja , tj. Redystrybucja energii infalling cząstek przez liczne zderzenia. Nie może się to zdarzyć w przypadku Ciemnej Materii.

Eduardo Guerras Valera
źródło
3
Bardzo ładna odpowiedź :-). Być może niedługo wyjaśnione zostaną kwestie dotyczące masy potencjalnie cząstek ciemnej materii ... Chociaż osobiście raczej oczekuję kolejnego zerowego wyniku i że ogromny brimborium medialne dotyczące wyników ciemnej materii LUX będzie raczej wykorzystywane jako usprawiedliwienie dla amerykańskiej decyzji twórcy, aby anulować niektóre eksperymentalne badania ciemnej materii, ponieważ komentator TRF powiedział ...: - /
Dilaton,
2
@Dilaton Hej Dilaton. TRF to świetny blog. Do tej pory nie odkryłem. Bardzo lubię styl pisania Lubos. Widzę, że ty i Dimension 10 też tam jesteście.
Eduardo Guerras Valera
2
@Dilaton Do tej pory nie odkryłem Lubos. Jego blog jest niesamowity, wow! Naprawdę dobrze się bawię czytając jego posty. Jest ironiczny i żrący (śmieję się jak diabli) i wydaje się bardzo dokładny (przynajmniej konserwatywny, ponieważ większość rzeczy jest dla mnie nowa) w swoich naukowych twierdzeniach. Ma inny styl niż Ron, ale jest to kolejny „obowiązkowy”. Nie zwróciłem uwagi na TRF, dopóki nie opublikowałeś tego linku.
Eduardo Guerras Valera
2
@EduardoGuerrasValera yes Lumo rocks :-D! Czytając TRF, często prawie pluję kawą na ekran, ponieważ jego czasami niezwykle zabawny styl pisania sprawia, że ​​regularnie LOL :-D. I oczywiście uczenie się od niego fajnej najnowocześniejszej fizyki jest dla mnie bardzo cenne i cenne!
Dilaton
2
@Dilaton, mam wrażenie, że jest nieco bardziej ostrożny i konserwatywny, gdy podaje fakty naukowe niż Ron, a to skutkuje większą dokładnością. Ron bardzo często ośmiela się wkroczyć na nieznane terytorium, pewny swojej wiedzy i inteligencji, a potem kończy wypowiedzi, które są jego wnioskami, świeże i zwykle niesamowite, ale bez większego filtrowania.
Eduardo Guerras Valera
1

Zasadniczo odpowiedzią jest brzytwa Ockhama : szukaj najprostszego rozwiązania i unikaj skomplikowanych i wymyślonych rozwiązań, chyba że wymagają tego dowody (obserwacyjne) . Tak, możliwe jest, że istnieją dwa lub więcej rodzajów cząstek ciemnej materii. Jednak wszelkie rozwiązania, w których nie dominuje żaden gatunek, wymagają dopracowania, a zatem są niekorzystne. Tak więc, chyba że istnieje jakaś teoria, która naturalnie przyszedłaby z mieszanką cząstek ciemnej materii (o różnych właściwościach w odniesieniu do ich implikacji astrofizycznych, tj. Gorąca i zimna itp., Gdy brzytwa Ockhama nie ma zastosowania ), powinniśmy oczekiwać, że dominuje tylko jeden gatunek .

Jeśli taka teoria nie wyjaśnia dowodów, tylko wtedy sensowne jest przejście do bardziej skomplikowanego modelu z więcej niż jednym rodzajem cząstek ciemnej materii. Obecnie nie jesteśmy na tym etapie.

Walter
źródło
2
Cóż, myślę, że najbardziej naturalna teoria faktycznie przewiduje więcej niż jeden gatunek. A w odniesieniu do brzytwy Ockhama również tutaj nie ma zastosowania. Wyobraź sobie teorie „A”, „B”, „A + B” dające trzy różne prognozy i wszystkie są wykonalne. Zatem absolutnie nie jest uzasadnione wykluczanie „A + B” z rozważania. Jest to jednak poprawny punkt, im więcej parametrów - tym więcej niepewności i dostrajanie.
Alexey Bobrick
@ Brzytwa AlexeyBobrick Occam mówi, że nie powinniśmy zacząć bawić się więcej niż jednym rodzajem cząstek DM, chyba że istnieją przekonujące niezależne dowody lub teoria przeciwna. Tutaj teoria nie jest tylko prostym modelem (zamieszanie), ale prognozą relacji między dwoma gatunkami DM, która naturalnie wyłania się z głębszego wglądu. Więc jeśli twoje „A + B” jest teorią w tym sensie, to brzytwa Ockhama nie ma zastosowania. Jednak, AFAIK, obecnie nie rozważa się poważnie takich teorii DM z więcej niż jednym gatunkiem.
Walter
1
Tak, @Walter, „A + B” jest teorią w tym właśnie sensie: tak, jak się spodziewają pozostałe dwa. Aby dowiedzieć się, dlaczego tak jest, sprawdź możliwe rozszerzenia standardowego modelu. Aby dowiedzieć się, dlaczego nie jest poważnie wykorzystywany, sprawdź drugą podaną odpowiedź.
Alexey Bobrick
@AlexeyBobrick Tak więc, która teoria naturalnie zawiera dwa różne (jeden gorący, jeden zimny) gatunek cząstek DM w mniej więcej równych proporcjach (aby żadne z nich nie dominowało)? Druga odpowiedź nie wyjaśnia, dlaczego takie teorie nie są poważnie brane pod uwagę. AFAIK, obecnie nie można wykluczyć mieszanki cząstek gorących i zimnych, ale używa się brzytwy Ockhama.
Walter
Na przykład supersymetria. Kluczową kwestią jest jednak to, że ewentualne rozszerzenia nie są sobie sprzeczne. Zgodnie z drugą odpowiedzią: dwa główne modele z mikroskopem to DM o wysokiej i niskiej temperaturze. Obserwacje struktury na dużą skalę sprzyjają zimnemu DM, kosmologia ogranicza oba te czynniki, stąd nie ma znaczących ilości gorącego składnika. Plus hot DM nie odgrywa dużej roli w małych skalach. Jak myślisz, co warto tu zobaczyć?
Alexey Bobrick