Два види темної матерії?

На даний момент часу докази існування темної матерії накопичилися багатьма способами:

це впливає на криві обертання галактики
відіграє головну роль у космології та еволюції структури у Всесвіті
прогнозується у великій кількості гравітаційним об'єктивом у широкому діапазоні масштабів
впливає на динаміку скупчень галактик

назвати декілька.

Є багато відомих кандидатів в частинках темної матерії: WIMPs , Аксион , бездротові послуги , нейтрино і т.д. (насправді, навіть цеглу, хоча деякі інші міркування виключити їх).

Тоді питання : чому ми очікуємо, що лише один тип частинок темної речовини відповідає за феноменологічну темну речовину?

Наприклад, космологія CDM, стандартна космологічна модель, вимагає, щоб темна матерія була холодною (повільною, нерелятивістською), яка використовується для обмеження можливих властивостей частинок темної речовини. Однак це насправді не означає, що темна речовина холодна для всіх астрофізичних систем. Наприклад, галактичні ореоли можуть бути зроблені з теплої темної речовини, а ореоли карликових галактик можуть бути зроблені з холодної темної речовини. $\Lambda$

Можна, звичайно, сказати, що одновидова модель є найпростішою. Контр аргументом було б те, що насправді може бути багато видів. Це, в свою чергу, може мати глибокі наслідки для астрофізичних моделей.

Підсумовуючи питання: Чи є якась вагома причина, бажано підкріплена спостереженнями, думати, що у всіх моделях, що зараз використовуються, присутній лише один вид темної речовини?

— Олексій Бобрик
джерело

Дуже приємне запитання!

— Ділатон

Пару речей. Що таке WISP, і що ви маєте на увазі під "цеглинами"? Крім того, слово «холодний» у холодній темній речовині означає, що в той час, коли темна матерія відокремлювалася, вона була нерелятивістською (повільна порівняно зі швидкістю світла). РКМ дуже добре прогнозує структури на великих масштабах, це невідповідність на менших масштабах мотивує людей думати про такі речі, як тепла / гаряча темна речовина, оскільки теплі речі мають меншу структуру на малих масштабах.

— astromax

Я думаю, що це гарне питання. Цілком можливо, що компонент темної матерії у Всесвіті - це фактично більше одного типу масивних частинок, можливо, тієї, яка взаємодіє слабко, а іншої - ні. Додавання сил, за допомогою яких частинки можуть взаємодіяти, додало б додаткових шляхів для передачі енергії в ці компоненти та з них. Те, що темна речовина - це один з видів «частинок», - це просто найприродніше, що слід подумати спочатку.

— astromax

@astromax, дякую за ваш внесок! WISP, згідно з wiki, наприклад, означає «Слабо взаємодіючі частинки Sub-eV», такі як осі. Цегла - це більше жарт. Однак якщо у вас є предмети, вага яких, як звичайна цегла, належним чином розташовані, вони динамічно поводяться більш-менш точно так, як це робила б темна матерія (ніяких сил, крім сили тяжіння). Тоді "холодний (повільний)" передбачає нерелятивістські швидкості, хоча я додам це для ясності.

— Олексій Бобрик

@astromax, дякую також за вказівку на ваги. Я фактично мав на увазі, що темна матерія, яка не є холодною, структура великого масштабу виглядатиме набагато більш розмитою, ніж є, і тому дійшла висновку, що для малих структур особливо важливо, щоб темна матерія була холодною, і тим більше для більшої споруди. Чи можете ви прокоментувати, звідки береться розбіжність? В іншому випадку ваші ідеї виглядають розумними. Я був би більш ніж радий бачити їх у трохи більш досконалій формі як відповідь.

— Олексій Бобрик

Відповіді:

Гаряча темна речовина виготовлятиметься з дуже легких швидкоплинних частинок. Такі частинки не могли бути гравітаційно пов'язані з будь-якою структурою, а навпаки, були б розпорошені по всій Всесвіті.

Але темна матерія завжди "знайдена" (або "виведена") або гравітаційно пов'язана з якоюсь видимою структурою (наприклад, слабке виявлення лінзи темної речовини, пов'язане зі скупченням галактик кластера / плоскі криві обертання спіральних галактик / аномальна дисперсія швидкості в кластерах галактик ) або не пов'язане з чим-небудь видимим, але все-таки утворює скупчення (слабке виявлення лінз галактичних скупчень, раніше небачених ). Ось чому вважається темна матерія холодною .

Крім того, існує чітке розмежування обох типів: немає такої речі, як темна речовина, яка "не занадто холодна, але не занадто гаряча" (див. Також виноску). Темна матерія або виготовлена з частинок менше ~ 10 еВ (гаряча темна речовина, виготовлена зі світлих частинок, здебільшого диспергованих скрізь), або частинок з більш ніж ~ 2 ГеВ (важчі, повільніші частинки гравітаційно пов'язані з якоюсь структурою). Обидва межі знаходяться при накладанні максимальної кількості, в якій частинки-кандидати (нейтрино або щось більш екзотичне), можливо, можуть внести свій внесок у фактичне значення параметра щільності за рахунок речовини в нашому Всесвіті, що розширюється.

Таким чином, або DM виявляється гравітаційно пов'язаним (холодний DM), або диспергованим (гарячий DM), і обидва типи чітко відрізняються (10 ev vs 2 Gev). Спостереження сприяють першій справі. Однак Cold Dark Matter не є остаточним рішенням, і все ще стикається з деякими проблемами.

Щодо можливості змішаних рішень, багато з них уже виключені. Мікросенсинг виключив можливість невидимих компактних об'єктів (коричневих карликів, зірок, зоряних чорних дір) у галактичних ореолах, у нашому галактичному околиці , а також у позагалактичній області . Звичайні речовини (каміння, цегла, пил) не можуть бути, інакше вони стануть гарячими і знову випромінюються. Будь-яка екзотична суміш відомих частинок не працює.

Все, що ми думаємо, що ми знаємо, - це те, що DM повинен бути зроблений з важких частинок, які ще повинні бути відкриті. Для того, щоб запровадити більш складну модель (наприклад, різні типи частинок залежно від структури, до якої вони приєднані), потрібне обґрунтування (тобто деякі прогнози, які краще узгоджуються з реальністю), і це ще ніхто не зміг зробити.

Зауваження Зауважте, що частинки темної матерії, як від гарячого, так і від холодного типу, не можуть «уповільнитись» і збиватися занадто сильно (наприклад, утворюючи планети), оскільки вони не взаємодіють електромагнітно, як звичайна речовина, тому, як вважають, DM бесстолкновітельная . Там, де падіння звичайної речовини утворює будь-яку структуру (наприклад, протостари або аккреційні диски ), дуже важливою частиною процесу є термізація , тобто перерозподіл енергії падаючих частинок за допомогою численних зіткнень. Це не може статися з Dark Matter.

— Едуардо Геррас Валера
джерело

Дуже приємна відповідь :-). Може бути , все відносно того, що маса частинки темної матерії потенційно повинні бути з'ясовані в найближчим часом ... Хоча особисто я скоріше очікував іншого результату нуль , і що величезні засоби масової інформації Brimborium зробив про це LUX темряві результати незалежно від того , буде швидше бути неправильно використані в якості приводу для вирішення США виробники скасовують експериментальні дослідження темної матерії, як сказав коментатор TRF ...: - /

— Ділатон

@Dilaton Ей Ділатон. TRF - чудовий блог. Я його до цього часу не виявив. Дуже мені подобається стиль письма Любоса. Я бачу, ти і Dimension10 теж є.

— Eduardo Guerras Valera

@Dilaton Я досі не відкрив Любоса. Його блог неймовірний, вау! Я справді добре проводжу час, читаючи його пости. Він іронічний і агресивний (я сміюся, як пекло), і здається дуже точним (принаймні консервативним, бо більшість матеріалів для мене є новими) у своїх наукових твердженнях. У нього інший стиль, ніж у Рона, але це ще одне «обов’язково». Я не звертав жодної уваги на TRF, поки ви не опублікували це посилання.

— Eduardo Guerras Valera

@EduardoGuerrasValera так Lumo скелі :-D! Читаючи TRF, я часто майже випиваю каву на екрані, через його часом надзвичайно кумедний стиль письма він змушує мене LOL регулярно :-D. І звичайно, вивчення класної передової фізики у нього дуже дорого і цінно для мене!

— Ділатон

@Dilaton, у мене таке враження, що він дещо обережніший і консервативніший, коли викладає наукові факти, ніж Рон, і це призводить до більшої точності. Рон дуже часто наважується в'їхати на невідому територію, впевнений у своїх знаннях та інтелекті, і тоді він закінчує робити заяви, які є його висновками, свіжими та, як правило, дивовижними, але без особливої фільтрації.

— Eduardo Guerras Valera

По суті, відповідь - це бритви Оккама : шукайте найпростіше рішення і уникайте складних і надуманих рішень, якщо тільки (спостережливі) докази цього не вимагають . Так, можливо, існує два чи більше типів частинок темної речовини. Але будь-які рішення, де домінує не один вид, потребують тонкої настройки та, отже, є несприятливими. Отже, якщо не існує теорії, яка природно містила б суміш частинок темної речовини (з різними властивостями щодо їх астрофізичних наслідків, тобто гарячого та холодного тощо), коли бритва Оккама не застосовується ), слід очікувати, що домінуватиме лише один вид .

Якщо така теорія не може пояснити докази, лише тоді має сенс перейти до більш складної моделі з більш ніж одним типом частинок темної речовини. На даний момент ми не знаходимося на цьому етапі.

— Вальтер
джерело

Ну, я думаю, більшість природних теорій насправді передбачали б більше одного виду. А потім, що стосується бритви Оккама, вона також не стосується тут. Уявіть, що теорії "A", "B", "A + B" дають три різні прогнози і всі вони життєздатні. Тоді абсолютно не виправдано виключати "A + B" з розгляду. Однак це правильний момент, чим більше параметрів - тим більше невизначеностей та тонкої настройки.

— Олексій Бобрик

Бритви @AlexeyBobrick Occam говорять, що ми не повинні починати грати з більш ніж одним різним типом частинок DM, якщо немає переконливих незалежних доказів чи теорії протилежного. Тут теорія - це не просто проста модель (возитися), а передбачення відношення двох видів ДМ, що природно випливає з глибшого розуміння. Отже, якщо ваш "A + B" є теорією в цьому сенсі, то бритва Occam не застосовується. Однак, AFAIK, наразі серйозно не розглядаються такі теорії ДМ з більш ніж одним видом.

— Вальтер

Так, @Walter, "A + B" - це теорія саме в цьому сенсі: як очікується, як і інші два. Чому він очікується, перевірте можливі розширення стандартної моделі. Чому він не використовується серйозно, перевірте іншу відповідь.

— Олексій Бобрік

@AlexeyBobrick Отже, яка теорія, природно, містить два різних (один гарячий, один холодний) частинок частинок ДМ приблизно в рівних пропорціях (так що жоден з них не домінує)? Інша відповідь не пояснює, чому такі теорії не розглядаються серйозно. AFAIK, суміш частинок гарячих і холодних частинок наразі не можна виключати, але використовується бритва Occam.

— Вальтер

Суперсиметрія, наприклад. Ключовий момент, однак, полягає в тому, що можливі розширення не суперечать один одному. Відповідно до іншої відповіді: дві основні мікроскопічно мотивовані моделі - це гаряча та холодна ДМ. Спостереження за масштабною структурою сприяють холодній ДМ, космологія дає обмеження для обох, отже, немає значної кількості гарячої складової. Плюс гарячий DM не грає особливої ролі на малих масштабах. Як ви думаєте, що було б гідним подивитися тут?

— Олексій Бобрик