Dua spesies materi gelap?

Pada titik ini, bukti keberadaan materi gelap telah terakumulasi dalam banyak cara:

itu mempengaruhi kurva rotasi galaksi
memainkan peran utama dalam kosmologi, dan evolusi struktur di alam semesta
diperkirakan dalam jumlah berlebihan oleh pelensaan gravitasi pada berbagai skala
Mempengaruhi dinamika cluster galaksi

untuk beberapa nama.

Ada banyak kandidat yang dikenal untuk partikel materi gelap: WIMPs , axion , WISPs , neutrino, dll (pada kenyataannya, bahkan batu bata, meskipun beberapa pertimbangan lain akan mengecualikan mereka).

Pertanyaannya kemudian adalah : Mengapa kita berharap bahwa hanya satu jenis partikel materi gelap yang bertanggung jawab atas materi gelap fenomenologis?

Misalnya, kosmologi CDM , model kosmologis standar, mengharuskan materi gelap menjadi dingin (lambat, non-relativistik), yang digunakan untuk membatasi kemungkinan sifat-sifat partikel materi gelap. Namun, ini sebenarnya tidak menyiratkan, bahwa materi gelap itu dingin untuk semua sistem astrofisika. Misalnya, lingkaran cahaya galaksi dapat terbuat dari materi gelap yang hangat, dan lingkaran cahaya galaksi kerdil dapat dibuat dari materi gelap dingin. $\Lambda$

Orang tentu saja dapat mengatakan bahwa model satu spesies adalah yang paling sederhana. Argumen yang bertentangan adalah bahwa dalam kenyataannya mungkin ada banyak spesies. Ini pada gilirannya mungkin memiliki implikasi mendalam untuk model astrofisika.

Untuk meringkas pertanyaan: Apakah ada alasan bagus, lebih disukai didukung oleh pengamatan, untuk berpikir bahwa hanya satu spesies materi gelap hadir di semua model yang saat ini digunakan?

— Alexey Bobrick
sumber

Pertanyaan yang sangat bagus!

— Dilaton

Beberapa barang. Apa itu WISP, dan apa yang Anda maksud dengan 'batu bata'? Juga, kata 'dingin' dalam materi gelap dingin berarti bahwa pada saat materi gelap dipisahkan, itu non-relativistik (lambat dibandingkan dengan kecepatan cahaya). LCDM memprediksi struktur yang sangat baik pada skala besar, ini adalah ketidakcocokan pada skala yang lebih kecil yang memotivasi orang untuk memikirkan hal-hal seperti materi gelap hangat / panas karena hal-hal hangat memiliki struktur kurang pada skala kecil.

— astromax

Saya pikir ini adalah pertanyaan yang bagus. Sangat mungkin bahwa komponen materi gelap ke alam semesta sebenarnya lebih dari satu jenis partikel masif, mungkin yang berinteraksi lemah, dan satu tidak. Menambah kekuatan dengan mana partikel dapat berinteraksi melalui akan menambah jalan tambahan untuk transfer energi masuk dan keluar dari komponen ini. Bahwa materi gelap adalah salah satu 'spesies' dari partikel adalah hal yang paling alami untuk dipikirkan terlebih dahulu.

— astromax

@astromax, terima kasih atas masukan Anda! WISP, menurut wiki, misalnya, adalah singkatan dari Weakly Interacting Sub-eV Particles seperti axions. Batu bata lebih dari lelucon. Namun, jika Anda memiliki benda, yang beratnya seperti batu bata biasa, ditempatkan dengan tepat, mereka akan secara dinamis berperilaku kurang lebih persis seperti materi gelap (tidak ada gaya kecuali gravitasi). Kemudian, "dingin (lambat)" menyiratkan kecepatan non-relativistik, meskipun saya akan menambahkannya untuk kejelasan.

— Alexey Bobrick

@astromax, terima kasih juga untuk menunjukkan skala. Saya benar-benar berpikir bahwa materi gelap, yang tidak dingin, struktur skala besar akan terlihat jauh lebih kabur, daripada itu, dan oleh karena itu menyimpulkan bahwa sangat penting untuk struktur kecil bahwa materi gelap itu dingin, dan lebih kecil untuk yang lebih besar struktur. Bisakah Anda mengomentari dari mana perbedaan itu berasal? Jika tidak, ide-ide Anda terlihat masuk akal. Saya akan sangat senang melihat mereka dalam bentuk yang sedikit lebih rumit sebagai jawaban.

— Alexey Bobrick

Jawaban:

Materi gelap yang panas akan dibuat dari partikel yang sangat terang dan bergerak cepat. Partikel-partikel semacam itu tidak mungkin secara gravitasi terikat pada struktur apa pun, melainkan akan tersebar di seluruh alam semesta.

Tetapi materi gelap selalu "ditemukan" (atau "disimpulkan") baik secara gravitasi terikat pada beberapa struktur yang terlihat (misalnya deteksi lensa lemah dari materi gelap yang terkait dengan kluster galaksi bertabrakan / kurva rotasi datar galaksi spiral / dispersi kecepatan abnormal pada kluster galaksi ) atau tidak terkait dengan apa pun yang terlihat tetapi tetap membentuk rumpun (deteksi lensa lemah dari kluster galaksi yang sebelumnya tidak terlihat ). Itulah mengapa materi gelap dianggap dingin .

Selain itu, ada perbedaan yang jelas antara kedua jenis: tidak ada yang namanya materi gelap yang "tidak terlalu dingin tetapi juga tidak terlalu panas" (lihat catatan kaki juga). Materi gelap entah terbuat dari partikel dengan kurang dari ~ 10 eV (materi gelap panas, terbuat dari partikel cahaya, sebagian besar tersebar di mana-mana) atau partikel dengan lebih dari ~ 2 GeV (partikel lebih berat, lebih lambat secara gravitasi terikat pada suatu struktur). Kedua batas ditemukan ketika memaksakan jumlah maksimum di mana partikel kandidat (neutrino atau sesuatu yang lebih eksotis) mungkin dapat berkontribusi pada nilai aktual dari parameter kepadatan karena materi di Alam semesta kita yang membentang.

Dengan demikian, baik DM tampak terikat secara gravitasi (DM dingin) atau terdispersi (DM panas), dan kedua jenis ini jelas berbeda (10 ev vs 2 Gev). Pengamatan mendukung kasus pertama. Namun, Cold Dark Matter bukanlah solusi akhir, dan masih menghadapi beberapa masalah.

Mengenai kemungkinan solusi campuran, banyak dari mereka telah dikesampingkan. Microlensing telah mengesampingkan kemungkinan benda padat yang tak terlihat (katai coklat, bintang, lubang hitam bintang) di lingkaran cahaya galaksi, di lingkungan galaksi kita serta di domain ekstragalaktik . Materi biasa (batu, batu bata, debu) tidak mungkin, jika tidak mereka akan menjadi panas dan kembali memancarkan sinar. Campuran eksotis dari partikel yang diketahui tidak bekerja.

Yang kami pikir kami tahu adalah bahwa DM harus terbuat dari beberapa partikel berat yang belum ditemukan. Untuk memperkenalkan model yang lebih kompleks (misalnya berbagai jenis partikel tergantung pada struktur tempat mereka berpasangan) kita perlu pembenaran (yaitu beberapa prediksi yang lebih sesuai dengan kenyataan) dan belum ada yang bisa melakukan itu.

Catatan: Partikel-partikel Bahan Gelap, baik dari tipe panas atau dingin, tidak mungkin "melambat" dan menggumpal terlalu banyak (misalnya membentuk planet) karena mereka tidak berinteraksi secara elektromagnetik seperti materi biasa, itulah sebabnya DM dikatakan sebagai tanpa tabrakan . Di mana pun materi biasa membentuk struktur apa pun (mis. Protostar atau piringan akresi ), bagian yang sangat penting dari proses ini adalah termalisasi , yaitu redistribusi energi dari partikel-partikel yang jatuh dengan cara berbagai tabrakan. Ini tidak dapat terjadi dengan Dark Matter.

— Eduardo Guerras Valera
sumber

Jawaban yang sangat bagus :-). Mungkin hal-hal mengenai massa partikel materi gelap yang berpotensi akan diklarifikasi segera ... Meskipun secara pribadi saya lebih suka hasil nol dan bahwa media besar Brimborium yang dibuat tentang hasil materi gelap LUX ini agak akan disalahgunakan sebagai alasan untuk keputusan AS. pembuat untuk membatalkan beberapa studi materi gelap eksperimental, sebagai komentator di TRF mengatakan ...: - /

— Dilaton

@Dilaton Hei Dilaton. TRF adalah blog yang bagus. Saya belum menemukannya sampai sekarang. Saya suka gaya penulisan Lubos. Aku melihatmu dan Dimensi10 juga ada di sana.

— Eduardo Guerras Valera

@Dilaton saya belum menemukan Lubos sampai sekarang. Blognya luar biasa, wow! Saya benar-benar bersenang-senang membaca postingnya. Dia ironis dan korosif (saya tertawa seperti neraka), dan tampaknya sangat akurat (setidaknya konservatif, karena sebagian besar barang baru bagi saya) dalam klaim ilmiahnya. Dia memiliki gaya yang berbeda dari Ron, tetapi itu adalah "keharusan" yang lain. Saya belum memperhatikan TRF sampai Anda memposting tautan itu.

— Eduardo Guerras Valera

@EduardoGuerrasValera ya batu Lumo :-D! Saat membaca TRF, saya sering memuntahkan kopi di layar, karena gaya menulisnya yang terkadang sangat lucu, dia membuat saya LOL secara teratur :-D. Dan tentu saja belajar fisika canggih yang keren darinya juga sangat berharga dan berharga bagi saya!

— Dilaton

@Dilaton, saya mendapat kesan bahwa dia sedikit lebih berhati-hati dan konservatif ketika menyatakan fakta ilmiah daripada Ron, dan itu menghasilkan akurasi yang lebih. Ron sangat sering berani memasuki wilayah yang tidak diketahui, yakin akan pengetahuan dan kecerdasannya, dan kemudian dia mengakhiri pernyataan yang merupakan kesimpulannya, segar dan biasanya luar biasa, tetapi tanpa banyak penyaringan.

— Eduardo Guerras Valera

Pada dasarnya, jawabannya adalah pisau cukur Occam : cari solusi yang paling sederhana dan hindari solusi yang rumit dan dibuat-buat , kecuali bukti (pengamatan) mengharuskan mereka . Ya, mungkin saja ada dua atau lebih jenis partikel materi gelap. Tetapi solusi apa pun di mana tidak ada satu spesies pun yang mendominasi membutuhkan penyempurnaan dan karenanya tidak menguntungkan. Jadi, kecuali ada teori yang secara alami akan datang dengan campuran partikel materi gelap (dengan sifat yang berbeda mengenai implikasi astrofisika mereka, yaitu panas dan dingin dll, ketika pisau cukur Occam tidak berlaku ), kita seharusnya hanya mengharapkan satu spesies mendominasi .

Jika teori semacam itu gagal menjelaskan bukti, baru masuk akal untuk beralih ke model yang lebih rumit dengan lebih dari satu jenis partikel materi gelap. Saat ini, kami tidak pada tahap itu.

— Walter
sumber

Yah, saya pikir sebagian besar teori alam sebenarnya akan memprediksi lebih dari satu spesies. Dan kemudian, mengenai pisau Occam, itu juga tidak berlaku di sini. Bayangkan teori "A", "B", "A + B" yang memberikan tiga prediksi berbeda dan semuanya layak. Maka sama sekali tidak dibenarkan untuk mengecualikan "A + B" karena pertimbangan. Namun, ini adalah titik yang benar, semakin banyak parameter - semakin banyak ketidakpastian dan fine-tuning.

— Alexey Bobrick

@AlexeyBobrick Occam's razor mengatakan kita tidak boleh mulai bermain dengan lebih dari satu jenis partikel DM yang berbeda, kecuali ada bukti independen yang meyakinkan atau teori sebaliknya. Di sini, sebuah teori bukan hanya model sederhana (main-main), tetapi prediksi untuk hubungan antara dua spesies DM yang secara alami muncul dari beberapa wawasan yang lebih dalam. Jadi, jika "A + B" Anda adalah teori dalam pengertian ini, maka pisau cukur Occam tidak berlaku. Namun, AFAIK, tidak ada teori DM seperti itu dengan lebih dari satu spesies yang saat ini dipertimbangkan secara serius.

— Walter

Ya, @Walter, "A + B" adalah teori dalam pengertian ini: seperti yang diharapkan oleh dua lainnya. Untuk alasan itu dikeluarkan, periksa kemungkinan ekstensi model standar. Untuk alasan mengapa itu tidak digunakan secara serius, periksa jawaban yang diberikan lainnya.

— Alexey Bobrick

@AlexeyBobrick Jadi, teori mana yang secara alami mengandung dua spesies partikel DM yang berbeda (satu panas, satu dingin) dalam proporsi yang kira-kira sama (sehingga tidak ada yang mendominasi)? Jawaban lain tidak menjelaskan mengapa teori semacam itu tidak dipertimbangkan secara serius. AFAIK, campuran partikel partikel panas dan dingin saat ini tidak dapat dikesampingkan, tetapi pisau cukur Occam digunakan.

— Walter

Supersimetri, misalnya. Namun, intinya, ekstensi yang mungkin tidak saling bertentangan. Seperti jawaban lain: dua model utama yang termotivasi secara mikroskopis adalah DM panas dan dingin. Pengamatan struktur skala besar mendukung DM dingin, kosmologi memberikan batasan pada keduanya, maka tidak ada jumlah komponen panas yang signifikan. Ditambah lagi DM panas tidak banyak berperan dalam skala kecil. Menurut Anda apa yang layak untuk dilihat lebih jauh di sini?

— Alexey Bobrick