Due specie di materia oscura?

A questo punto, le prove dell'esistenza della materia oscura si sono accumulate in molti modi:

influenza le curve di rotazione galattica
gioca un ruolo importante nella cosmologia e nell'evoluzione della struttura nell'universo
è previsto in abbondanti quantità da lenti gravitazionali su una vasta gamma di scale
influenza la dinamica degli ammassi di galassie

per dirne alcuni.

Esistono molti candidati noti per le particelle di materia oscura: WIMP , assioni , WISP , neutrini, ecc. (In effetti, persino i mattoni, sebbene alcune altre considerazioni li escludano).

La domanda allora è : perché ci aspettiamo che solo un tipo di particelle di materia oscura sia responsabile della materia oscura fenomenologica?

Ad esempio, $\Lambda$ cosmologia CDM, il modello cosmologico standard, richiede che la materia oscura sia fredda (lenta, non relativistica), che viene utilizzata per limitare le possibili proprietà delle particelle di materia oscura. Tuttavia, ciò non implica che la materia oscura sia fredda per tutti i sistemi astrofisici. Ad esempio, gli aloni galattici potrebbero essere fatti di materia oscura calda e gli aloni di galassie nane potrebbero essere fatti di materia oscura fredda.

Naturalmente si potrebbe dire che il modello a una specie è il più semplice. La contro argomentazione sarebbe che in realtà potrebbero esserci molte specie. Ciò a sua volta potrebbe avere profonde implicazioni per i modelli astrofisici.

Riassumendo la domanda: c'è qualche buona ragione, preferibilmente supportata da osservazioni, per pensare che sia presente una sola specie di materia oscura in tutti i modelli attualmente utilizzati?

— Alexey Bobrick
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Molto bella domanda!

— Dilaton,

Un paio di cose. Cosa sono i WISP e cosa intendi con "mattoni"? Inoltre, la parola "freddo" nella fredda materia oscura significa che al momento la materia oscura disaccoppiata era non relativistica (lenta rispetto alla velocità della luce). LCDM predice molto bene le strutture su larga scala, è una mancata corrispondenza su scale più piccole che motiva le persone a pensare a cose come la materia oscura calda / calda poiché le cose calde hanno meno struttura su piccole scale.

— astromax,

Penso che questa sia una buona domanda però. È del tutto possibile che la componente della materia oscura nell'universo sia in realtà più di un tipo di particella massiccia, forse una che interagisce debolmente e l'altra no. L'aggiunta di forze attraverso le quali le particelle possono interagire aggiungerebbe ulteriori strade per il trasferimento di energia dentro e fuori da questi componenti. Quella materia oscura è una "specie" di particelle è semplicemente la cosa più naturale a cui pensare per prima.

— astromax,

@astromax, grazie per il tuo contributo! WISP, secondo la wiki, ad esempio, sta per Particelle Sub-eV che interagiscono debolmente come gli assioni. I mattoni sono più uno scherzo. Tuttavia, se si dispone di oggetti, il cui peso come i normali mattoni, opportunamente distanziati, si comporterebbero dinamicamente più o meno esattamente come farebbe la materia oscura (nessuna forza tranne la gravità). Quindi, "freddo (lento)" implica velocità non relativistiche, sebbene lo aggiungerò per chiarezza.

— Alexey Bobrick,

@astromax, grazie anche per aver sottolineato le scale. Avevo in mente che la materia oscura, che non è fredda, la struttura su larga scala sembrerebbe molto più sfocata, di quanto non lo sia, e quindi ho concluso che è particolarmente importante per le piccole strutture che la materia oscura sia fredda, e meno per le più grandi strutture. Puoi commentare da dove viene la discrepanza? Altrimenti, le tue idee sembrano ragionevoli. Sarei più che felice di vederli in una forma un po 'più elaborata come risposta.

— Alexey Bobrick,

Risposte:

La materia oscura calda sarebbe formata da particelle molto leggere e in rapido movimento. Tali particelle non potrebbero essere legate in modo gravitazionale a nessuna struttura, ma sarebbero piuttosto disperse in tutto l'universo.

Ma la materia oscura viene sempre "trovata" (o "inferita") o gravitazionalmente legata a una struttura visibile (ad esempio un debole rilevamento della materia oscura associato a ammassi di galassie in collisione / curve di rotazione piatte di galassie a spirale / dispersione di velocità anormale in ammassi di galassie ) o non associato a nulla di visibile ma che tuttavia forma dei ciuffi (debole rilevamento dell'obiettivo di ammassi di galassie mai visti prima ). Ecco perché si pensa che la materia oscura sia fredda .

Inoltre, esiste una chiara distinzione tra i due tipi: non esiste una cosa oscura che non sia "non troppo fredda ma neanche troppo calda" (vedi anche la nota in calce). La materia oscura è costituita da particelle con meno di ~ 10 eV (materia oscura calda, fatta di particelle di luce, per lo più disperse ovunque) o particelle con più di ~ 2 GeV (particelle più pesanti e più lente legate gravitazionalmente a una struttura). Entrambi i limiti si trovano quando si impone la quantità massima in cui le particelle candidate (neutrini o qualcosa di più esotico) possono eventualmente contribuire al valore effettivo del parametro di densità dovuto alla materia nel nostro Universo in espansione.

Pertanto, o DM appare legato gravitazionalmente (DM freddo) o disperso (DM caldo), ed entrambi i tipi sono chiaramente distinti (10 ev vs 2 Gev). Le osservazioni favoriscono il primo caso. Tuttavia, Cold Dark Matter non è la soluzione definitiva e deve ancora affrontare alcuni problemi.

Per quanto riguarda la possibilità di soluzioni miste, molte di esse sono già state escluse. Il microlensing ha escluso la possibilità di oggetti compatti invisibili (nane brune, stelle, buchi neri stellari) negli aloni galattici, nel nostro quartiere galattico e nel dominio extragalattico . La materia ordinaria (pietre, mattoni, polvere) non può essere, altrimenti si surriscalderebbe e si irradierebbe. Qualsiasi mix esotico di particelle conosciute non funziona.

Tutto ciò che pensiamo di sapere è che il DM deve essere fatto di alcune particelle pesanti ancora da scoprire. Per introdurre un modello più complesso (ad es. Diversi tipi di particelle a seconda della struttura a cui sembrano attaccati) è necessaria una giustificazione (ovvero alcune previsioni che concordano meglio con la realtà) e nessuno è stato ancora in grado di farlo.

Nota Si noti che le particelle Dark Matter, sia di tipo caldo che freddo, non possono probabilmente "rallentare" e raggrupparsi troppo (ad esempio formando pianeti) perché non interagiscono elettromagneticamente come la normale materia, ecco perché si dice che DM sia senza collisioni . Ovunque l'inflazione della materia ordinaria forma una struttura (ad esempio protostari o dischi di accrescimento ), una parte molto importante del processo è la termalizzazione , ovvero la ridistribuzione dell'energia delle particelle in caduta mediante numerose collisioni. Questo non può accadere con Dark Matter.

— Eduardo Guerras Valera
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Risposta molto bella :-). Forse le cose riguardanti la massa che potenzialmente hanno le particelle di materia oscura saranno presto chiarite ... Anche se personalmente mi aspetto piuttosto un altro risultato nullo e che l'enorme brimborio mediatico fatto su questi risultati della materia oscura LUX sarà piuttosto usato come una scusa per la decisione degli Stati Uniti i produttori di annullare alcuni studi sperimentali sulla materia oscura, come ha commentato un commentatore della TRF ...: - /

— Dilaton,

@Dilaton Hey Dilaton. TRF è un ottimo blog. Non l'avevo scoperto fino ad ora. Mi piace molto lo stile di scrittura di Lubos. Vedo che anche tu e Dimension10 ci siete.

— Eduardo Guerras Valera,

@Dilaton Non avevo scoperto Lubos fino ad ora. Il suo blog è incredibile, wow! Mi sto davvero divertendo a leggere i suoi post. È ironico e corrosivo (sto ridendo come un inferno) e sembra molto preciso (almeno conservatore, perché la maggior parte delle cose è nuova per me) nelle sue affermazioni scientifiche. Ha uno stile diverso da Ron, ma è un altro "must". Non avevo prestato attenzione a TRF fino a quando non hai pubblicato quel link.

— Eduardo Guerras Valera,

@EduardoGuerrasValera sì Lumo Rock MrGreen! Quando leggo il TRF spesso sputo quasi il mio caffè sul mio schermo, a causa del suo stile di scrittura a volte immensamente divertente, mi fa regolarmente LOL MrGreen. E naturalmente imparare da lui una fisica all'avanguardia è molto prezioso e prezioso anche per me!

— Dilaton,

@Dilaton, ho l'impressione che sia un po 'più attento e conservatore quando afferma fatti scientifici di Ron, e questo si traduce in una maggiore precisione. Ron molto spesso osa entrare in un territorio sconosciuto, fiducioso della sua conoscenza e intelligenza, e poi finisce per fare affermazioni che sono le sue conclusioni, fresche e generalmente sorprendenti, ma senza molto filtraggio.

— Eduardo Guerras Valera,

In sostanza, la risposta è il rasoio di Occam : cercare la soluzione più semplice ed evitare soluzioni complicate e inventate , a meno che l' evidenza (osservativa) non le richieda . Sì, è possibile che esistano due o più tipi di particelle di materia oscura. Ma qualsiasi soluzione in cui non domina nessuna specie richiede una messa a punto e quindi è sfavorevole. Quindi, a meno che non esista una teoria che verrebbe naturalmente con un mix di particelle di materia oscura (con proprietà diverse riguardo alle loro implicazioni astrofisiche, cioè caldo e freddo ecc., Quando il rasoio di Occam non si applica ), dovremmo aspettarci che domini solo una specie .

Se una tale teoria non riesce a spiegare l'evidenza, solo allora ha senso passare a un modello più complicato con più di un tipo di particella di materia oscura. Attualmente, non siamo a quel punto.

— Walter
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Bene, penso che la maggior parte della teoria naturale in realtà prevederebbe più di una specie. E poi, per quanto riguarda il rasoio di Occam, anche qui non si applica. Immagina teorie "A", "B", "A + B" che danno tre diverse previsioni e sono tutte praticabili. Quindi non è assolutamente giustificato escludere "A + B" dalla considerazione. Tuttavia, è un punto corretto, più parametri - più incertezze e messa a punto.

— Alexey Bobrick,

@AlexeyBobrick Il rasoio di Occam dice che non dovremmo iniziare a suonare con più di un diverso tipo di particella DM, a meno che non ci siano prove o prove indipendenti convincenti al contrario. Qui, una teoria non è solo un semplice modello (pasticciare), ma una previsione per la relazione tra due specie di DM che emerge naturalmente da una visione più profonda. Quindi, se il tuo "A + B" è una teoria in questo senso, allora il rasoio di Occam non si applica. Tuttavia, AFAIK, nessuna di queste teorie DM con più di una specie è attualmente considerata seriamente.

— Walter,

Sì, @Walter, "A + B" è una teoria in questo senso: come previsto come gli altri due. Per quale motivo viene eseguito, verificare la presenza di eventuali estensioni del modello standard. Per quale motivo non viene utilizzato seriamente, controlla l'altra risposta fornita.

— Alexey Bobrick,

@AlexeyBobrick Quindi, quale teoria contiene naturalmente due diverse specie (una calda, una fredda) di particelle DM in proporzioni approssimativamente uguali (in modo che nessuna delle due domini)? L'altra risposta non spiega perché tali teorie non siano prese in seria considerazione. AFAIK, attualmente non è possibile escludere una miscela di particelle calde e fredde, ma viene utilizzato il rasoio di Occam.

— Walter

Supersimmetria, per esempio. Il punto chiave, tuttavia, è che le possibili estensioni non si contraddicono a vicenda. Come per l'altra risposta: due modelli principali microscopicamente motivati sono DM caldo e freddo. Le osservazioni della struttura su larga scala favoriscono il DM freddo, la cosmologia dà limiti a entrambi, quindi non ci sono quantità significative di componente caldo. Inoltre, il DM caldo non gioca un ruolo importante su piccola scala. Cosa pensi sarebbe degno di guardare più avanti qui?

— Alexey Bobrick,