Два вида темной материи?

На данный момент доказательство существования темной материи накоплено многими способами:

это влияет на кривые вращения галактики
играет важную роль в космологии и эволюции структуры во вселенной
в больших количествах предсказывается гравитационным линзированием в широком диапазоне масштабов
влияет на динамику скоплений галактик

назвать несколько.

Существует много известных кандидатов для частиц темной материи: WIMP , аксионы , WISP , нейтрино и т. Д. (На самом деле, даже кирпичи, хотя некоторые другие соображения исключают их).

Тогда возникает вопрос : почему мы ожидаем, что только один тип частиц темной материи ответственен за феноменологическую темную материю?

Например, космология CDM, стандартная космологическая модель, требует, чтобы темная материя была холодной (медленной, нерелятивистской), что используется для ограничения возможных свойств частиц темной материи. Однако на самом деле это не означает, что темная материя холодна для всех астрофизических систем. Например, галактические гало могут быть сделаны из теплой темной материи, а гало галактических карликов могут быть сделаны из холодной темной материи. $\Lambda$

Можно, конечно, сказать, что модель одного вида является самой простой. Противоположным аргументом будет то, что в действительности может быть много видов. Это, в свою очередь, может иметь серьезные последствия для астрофизических моделей.

Резюмируя вопрос: есть ли веская причина, желательно подтвержденная наблюдениями, полагать, что во всех используемых в настоящее время моделях присутствует только один вид темной материи?

cosmology dark-matter galactic-dynamics gravitational-lensing Алексей Бобрик
источник

Очень хороший вопрос!

Дилатон

Пара вещей. Что такое WISP и что вы подразумеваете под «кирпичами»? Кроме того, слово «холод» в холодной темной материи означает, что в то время, когда темная материя отделялась, она была нерелятивистской (медленной по сравнению со скоростью света). LCDM предсказывает очень хорошие структуры в больших масштабах, это несоответствие в меньших масштабах, которое побуждает людей думать о таких вещах, как теплая / горячая темная материя, поскольку теплые вещи имеют меньшую структуру в небольших масштабах.

astromax

Я думаю, что это хороший вопрос. Вполне возможно, что компонент темной материи во вселенной на самом деле представляет собой более чем один тип массивной частицы, возможно, тот, который слабо взаимодействует, а другой - нет. Добавление сил, посредством которых частицы могут взаимодействовать, добавило бы дополнительные возможности для передачи энергии в и из этих компонентов. Эта темная материя - это один «вид» частицы, просто самое естественное, о чем нужно думать в первую очередь.

astromax

@astromax, спасибо за ваш вклад! WISP, согласно вики, например, обозначает Слабо Взаимодействующие Частицы Суб-ЭВ, такие как аксионы. Кирпичи - больше шутка. Однако, если у вас есть объекты, вес которых, как и у обычных кирпичей, распределен соответствующим образом, они будут динамически вести себя более или менее точно так же, как и темная материя (никаких сил, кроме силы тяжести). Тогда «холодный (медленный)» подразумевает нерелятивистские скорости, хотя я добавлю это для ясности.

Алексей Бобрик

@astromax, спасибо также за указание на весы. Я на самом деле имел в виду, что темная материя, которая не является холодной, крупномасштабная структура будет выглядеть гораздо более размытой, чем она есть, и поэтому пришла к выводу, что для небольших структур особенно важно, чтобы темная материя была холодной, а для больших - меньше структур. Можете ли вы прокомментировать, откуда возникло несоответствие? В противном случае ваши идеи выглядят разумно. Я был бы более чем счастлив увидеть их в несколько более сложной форме в качестве ответа.

Алексей Бобрик

Ответы:

Горячая темная материя была бы сделана из очень легких, быстро движущихся частиц. Такие частицы не могли бы быть гравитационно связаны с какой-либо структурой, а скорее были бы рассеяны по всей вселенной.

Но темная материя всегда «найдена» (или «выведена») либо гравитационно связана с какой-либо видимой структурой (например, обнаружение слабой линзы темной материи, связанной со сталкивающимися скоплениями галактик / плоские кривые вращения спиральных галактик / дисперсия аномальной скорости в скоплениях галактик ), либо не связано с чем-либо видимым, но тем не менее образует комки (слабое линзовое обнаружение скоплений галактик, ранее невиданное ). Вот почему темная материя считается холодной .

Кроме того, существует четкое различие между обоими типами: нет такой вещи, как темная материя, которая «не слишком холодная, но и не слишком горячая» (см. Также сноску). Темная материя состоит либо из частиц с менее чем ~ 10 эВ (горячая темная материя, состоящая из легких частиц, в основном рассеянных повсюду), либо из частиц с более чем ~ 2 ГэВ (более тяжелые, более медленные частицы гравитационно связаны с некоторой структурой). Оба предела находятся при наложении максимального количества, в котором частицы-кандидаты (нейтрино или что-то более экзотическое) могут внести вклад в фактическое значение параметра плотности из-за вещества в нашей расширяющейся Вселенной.

Таким образом, либо СД выглядит гравитационно связанным (холодное СД) или рассеянным (горячее СД), и оба типа четко различаются (10 эв против 2 Гэв). Наблюдения в пользу первого случая. Однако Cold Dark Matter не является окончательным решением и все еще сталкивается с некоторыми проблемами.

Что касается возможности смешанных решений, многие из них уже исключены. Микролинзирование исключает возможность невидимых компактных объектов (коричневых карликов, звезд, звездных черных дыр) в галактических гало, в нашем галактическом соседстве, а также во внегалактической области . Обычные вещества (камни, кирпичи, пыль) не могут быть, иначе они стали бы горячими и переизлучали. Любая экзотическая смесь известных частиц не работает.

Все, что мы думаем, мы знаем, что DM должен состоять из каких-то тяжелых частиц, которые еще предстоит обнаружить. Чтобы ввести более сложную модель (например, различные типы частиц в зависимости от структуры, к которой они кажутся прикрепленными), нужно обоснование (то есть некоторые предсказания, которые лучше согласуются с реальностью), и никто еще не смог этого сделать.

Замечание Обратите внимание, что частицы темной материи, как из горячего, так и из холодного типа, не могут «замедляться» и слишком сильно слипаться (например, формируя планеты), потому что они не взаимодействуют электромагнитно, как обычная материя, поэтому DM называется без столкновений . Везде, где обычная материя образует какую-либо структуру (например, протозвезды или аккреционные диски ), очень важной частью процесса является термализация , то есть перераспределение энергии падающих частиц посредством многочисленных столкновений. Этого не может случиться с Dark Matter.

Эдуардо Гуэррас Валера
источник

Очень хороший ответ :-). Может быть, вещи, касающиеся массы частиц темной материи, возможно, скоро выяснят ... Хотя лично я предпочитаю получить еще один нулевой результат и то, что огромный медиа-бримбориум, сделанный по поводу результатов этой темной материи ЛЮКС, скорее будет неправильно использован как оправдание для решения США. производители отменили некоторые экспериментальные исследования темной материи, как сказал комментатор TRF ...: - /

Dilaton

@ Дилатон Эй, Дилатон. TRF - отличный блог. Я не обнаружил это до сих пор. Мне очень нравится стиль письма Любоса. Я вижу, ты и Dimension10 тоже там.

Эдуардо Гуэррас Валера

@Dilaton Я не обнаружил Lubos до сих пор. Его блог невероятен, вау! Я действительно хорошо провожу время, читая его посты. Он ироничен и разъедает (я смеюсь, как ад), и кажется очень точным (по крайней мере, консервативным, потому что большая часть материала для меня нова) в своих научных утверждениях. У него другой стиль, чем у Рона, но это еще одна необходимость. Я не обращал никакого внимания на TRF, пока ты не опубликовал эту ссылку.

Эдуардо Гуэррас Валера

@EduardoGuerrasValera да Lumo скалы :-D! Когда я читаю TRF, я часто почти плюю кофе на экран, из-за его порой невероятно забавного стиля письма, он заставляет меня LOL регулярно :-D. И, конечно, изучение классной передовой физики у него тоже очень ценно и ценно!

Дилатон

@Dilaton, у меня сложилось впечатление, что он более осторожен и консервативен в изложении научных фактов, чем Рон, и это приводит к большей точности. Рон очень часто осмеливается войти в неизвестную территорию, уверенный в своих знаниях и интеллекте, а затем он заканчивает делать заявления, которые являются его выводами, свежими и обычно удивительными, но без особой фильтрации.

Эдуардо Гуэррас Валера

По сути, ответом является бритва Оккама : ищите самое простое решение и избегайте сложных и надуманных решений, если только (наблюдательные) доказательства не требуют их . Да, возможно, что существуют два или более типа частиц темной материи. Но любые решения, где доминирует не один вид, требуют тонкой настройки и, следовательно, являются неблагоприятными. Таким образом, если не существует теории, которая бы естественным образом сочеталась с частицами темной материи (с различными свойствами в отношении их астрофизических последствий, то есть горячими и холодными и т. Д., Когда бритва Оккама не применяется ), мы должны ожидать, что доминирует только один вид ,

Если такая теория не может объяснить доказательства, только тогда имеет смысл перейти к более сложной модели с более чем одним типом частицы темной материи. В настоящее время мы не на этой стадии.

Вальтер
источник

Ну, я думаю, что большинство естественных теорий на самом деле предсказывают более одного вида. И затем, что касается бритвы Оккама, это также не применяется здесь. Представьте себе теории «A», «B», «A + B», дающие три разных прогноза, и все они жизнеспособны. Тогда абсолютно неоправданно исключать «А + В» из рассмотрения. Однако это верный момент, чем больше параметров - тем больше неопределенностей и тонких настроек.

Алексей Бобрик

Бритва @AlexeyBobrick Оккама говорит, что мы не должны начинать играть с более чем одним другим типом частиц DM, если нет убедительных независимых доказательств или теории об обратном. В данном случае теория - это не просто простая модель (бездельничающая), а предсказание отношения между двумя видами СД, которое, естественно, вытекает из некоторого более глубокого понимания. Итак, если ваше «A + B» является теорией в этом смысле, то бритва Оккама не применима. Тем не менее, AFAIK, ни одна такая теория DM с более чем одним видом в настоящее время серьезно не рассматривается.

Уолтер

Да, @Walter, «A + B» - теория в этом самом смысле: как и ожидалось, как и две другие. Для того, почему это исключено, проверьте для возможных расширений стандартной модели. Почему он не используется серьезно, проверьте другой ответ.

Алексей Бобрик

@AlexeyBobrick Итак, какая теория, естественно, содержит два разных (один горячий, один холодный) виды частиц DM в примерно равных пропорциях (так что ни один из них не доминирует)? Другой ответ не объясняет, почему такие теории не рассматриваются всерьез. AFAIK, смесь частиц горячих и холодных частиц в настоящее время не может быть исключена, но бритва Оккама используется.

Уолтер

Суперсимметрия, например. Ключевым моментом, однако, является то, что возможные расширения не противоречат друг другу. Согласно другому ответу: две основные микроскопически мотивированные модели - горячая и холодная СД. Наблюдения за крупномасштабной структурой благоприятствуют холодной ДМ, космология дает ограничения на обе, поэтому значительного количества горячей составляющей нет. Плюс горячая марка не играет большой роли в небольших масштабах. Как вы думаете, было бы достойно посмотреть здесь дальше?

Алексей Бобрик