Два вида темной материи?

На данный момент накоплено множество доказательств существования темной материи:

  • влияет на кривые вращения галактик
  • играет важную роль в космологии и эволюции структуры Вселенной.
  • в большом количестве предсказывается гравитационным линзированием в широком диапазоне масштабов
  • влияет на динамику скоплений галактик

назвать несколько.

Есть много известных кандидатов на роль частиц темной материи: вимпы , 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 отвечает за феноменологическую темную материю?

Например, Λ 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 состоять из теплой темной материи, а гало карликовых галактик — из холодной темной материи.

Можно, конечно, сказать, что одновидовая модель — самая простая. Контраргументом было бы то, что в действительности видов может быть много. Это, в свою очередь, может иметь серьезные последствия для астрофизических моделей.

Подводя итог вопросу: есть ли веская причина, предпочтительно подкрепленная наблюдениями, полагать, что во всех используемых в настоящее время моделях присутствует только один вид темной материи?

Очень хороший вопрос!
Пара вещей. Что такое WISP и что вы подразумеваете под «кирпичами»? Кроме того, слово «холодный» в холодной темной материи означает, что в то время, когда темная материя отделялась, она была нерелятивистской (медленной по сравнению со скоростью света). LCDM очень хорошо предсказывает структуры в больших масштабах, это несоответствие в меньших масштабах побуждает людей думать о таких вещах, как теплая/горячая темная материя, поскольку теплые объекты имеют меньшую структуру в малых масштабах.
Хотя я думаю, что это хороший вопрос. Вполне возможно, что компонент темной материи во Вселенной на самом деле представляет собой более чем один тип массивных частиц, возможно, слабо взаимодействующих, а другой нет. Добавление сил, с помощью которых частицы могут взаимодействовать, добавило бы дополнительные возможности для передачи энергии в эти компоненты и из них. То, что темная материя является одним из «видов» частиц, — это просто самое естественное, о чем стоит подумать в первую очередь.
@astromax, спасибо за ваш вклад! WISP, согласно вики, например, означает Weakly Interacting Sub-eV Particles, такие как аксионы. Кирпичи - это скорее шутка. Однако, если у вас есть объекты, которые весят как обычные кирпичи, размещенные на соответствующем расстоянии, они будут динамически вести себя более или менее точно так же, как темная материя (никаких сил, кроме гравитации). Тогда «холодный (медленный)» подразумевает нерелятивистские скорости, хотя я добавлю это для ясности.
@Alexey Не могли бы вы также добавить ссылку на WISP, поскольку я с ними не знаком? Кроме того, я думаю, что слышал о некоторых симуляциях N тел, которые содержат более одного темного компонента. Если/когда я их найду, я постараюсь написать ответ на этот вопрос.
@astromax, спасибо также за то, что указали на весы. На самом деле я имел в виду, что темная материя, которая не является холодной, крупномасштабная структура выглядела бы гораздо более размытой, чем она есть, и поэтому пришел к выводу, что для малых структур особенно важно, чтобы темная материя была холодной, и в меньшей степени для более крупных. структуры. Не могли бы вы прокомментировать, откуда такое несоответствие? В остальном ваши идеи выглядят разумными. Я был бы более чем счастлив увидеть их в более проработанной форме в качестве ответа.
@astromax: Еще раз спасибо! У WISP нет своей страницы, но я добавлю ссылку на страницу, где они упоминаются.
Мы не можем ожидать один тип или несколько типов темной материи. Темная материя может состоять из самых разных частиц, если только они не сталкиваются с нашей материей и другими энергиями, которые мы можем легко наблюдать, но все же обладают энергией.
@someone-or-other: Верно, широко, но, как видно из ответов, не слишком широко, например, массы должны быть сопоставимы. Таким образом, это может быть много видов частиц, а не один, но с небольшими феноменологическими последствиями.
Поскольку нет доказательств природы темной материи, возможно, существует целый зоопарк частиц DM, очень похожих на «нормальную» материю, и что существуют «темные» силы, которые воздействуют только на темную материю, и это создает всю вселенную темной материи. существования, о котором мы совершенно не подозреваем, за исключением того, что мы чувствуем создаваемую им гравитацию.
Идея интересная, и все же мы на самом деле знаем, что по сравнению с обычной материей темная материя гораздо менее взаимодействует сама с собой, если вообще взаимодействует.

Ответы (2)

Горячая темная материя будет состоять из очень легких, быстро движущихся частиц. Такие частицы не могут быть гравитационно связаны с какой-либо структурой, а скорее будут рассеяны по всей Вселенной.

Но темная материя всегда «обнаруживается» (или «предполагается») либо гравитационно связанной с какой-либо видимой структурой (например, слабое обнаружение темной материи с помощью линз, связанное со сталкивающимися скоплениями галактик / плоскими кривыми вращения спиральных галактик / аномальной дисперсией скоростей в скоплениях галактик ) или не связанные ни с чем видимым, но, тем не менее, образующие скопления (слабое обнаружение линзирования ранее невидимых скоплений галактик ). Вот почему темная материя считается холодной .

Кроме того, между обоими типами существует четкое различие: не существует 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 и медленные частицы, гравитационно связанные с какой-либо структурой). Оба ограничения обнаруживаются при наложении максимальной суммы, в которой частицы-кандидаты (нейтрино или что-то более экзотическое) могут, возможно, внести вклад в фактическое значение параметра плотности из-за материи в нашей расширяющейся Вселенной.

Таким образом, либо ТМ оказывается гравитационно связанной (холодная ТМ), либо рассеянной (горячая ТМ), и оба типа явно различаются (10 эв против 2 Гэв). Наблюдения благоприятствуют первому случаю. Однако холодная темная материя не является окончательным решением и все еще сталкивается с некоторыми проблемами.

Что касается возможности смешанных решений, то многие из них уже исключены. Микролинзирование исключило возможность существования невидимых компактных объектов (коричневых карликов, звезд, звездных черных дыр) в галактических гало, в наших галактических окрестностях , а также во внегалактических областях . Обычная материя (камни, кирпичи, пыль) быть не может, иначе они раскалялись бы и переизлучали. Любая экзотическая смесь известных частиц не работает.

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

Замечание Обратите внимание, что частицы темной материи, как горячего, так и холодного типа, не могут «замедлиться» и слипаться слишком сильно (например, образуя планеты), потому что они не взаимодействуют электромагнитным образом, как обычная материя, поэтому говорят, что DM бесконфликтный . Везде, где падающее обычное вещество образует какую-либо структуру (например , протозвезды или аккреционные диски ), очень важной частью процесса является термализация , т. е. перераспределение энергии падающих частиц посредством многочисленных столкновений. Этого не может произойти с Темной Материей.

Очень хороший ответ :-). Возможно, скоро прояснятся вещи, касающиеся того, какую массу потенциально имеют частицы темной материи ... Хотя лично я скорее ожидаю еще одного нулевого результата и того, что огромное количество средств массовой информации, созданных по поводу этих результатов LUX по темной материи, скорее будет неправильно использовано в качестве оправдания для решения США. производители отменили некоторые экспериментальные исследования темной материи, как сказал комментатор TRF... :-/
Отличный ответ, спасибо! У меня всего два вопроса и один второстепенный аргумент. Вопрос 1: Насколько я понимаю, космология холодной DM накладывает ограничения на свойства холодной DM, используя данные наблюдений, тогда как космология горячей DM накладывает аналогичные ограничения на свойства горячей DM. Знаете ли вы какую-либо работу, в которой космологические модели Горячей плюс Холодной ТМ проверялись наблюдениями? Вопрос 2: Я полагаю, вы подразумеваете, что если бы было два вида CDM или два вида HDM, это не имело бы значительных физических последствий, по сравнению со случаями одного CDM и значительного компонента HDM соответственно. Это правильно?
Теперь небольшой аргумент: исходя из наших современных знаний о физике элементарных частиц, мы не ожидаем, что могут существовать теплые частицы темной материи. Однако и холодные, и горячие кандидаты в частицы темной материи также не входят в стандартную модель физики элементарных частиц. Поэтому вообще, возможно, при рассмотрении феноменологической темной материи все же следует рассматривать теплый случай как возможность.
@AlexeyBobrick Если там есть горячий DM, это должно повлиять на параметр плотности. Ом М и оставило бы меньше места для всей связанной материи, которая выводится из наблюдений. Насколько мне известно, горячая ТМ не нужна для объяснения «обнаружения» ТМ, связанной со сталкивающимися скоплениями галактик, галактическими ореолами, влияющими на кривые вращения, и т. д. С другой стороны, компьютерные симуляции (такие как Большой ) воспроизводят наблюдаемая вселенная исходит из холодной темной материи, иначе им не удается воспроизвести структуры, напоминающие...
(...структуры, напоминающие) Вселенную, какой мы ее видим сегодня. Горячая темная материя была первым, о чем подумали люди, потому что нейтрино были в то время возможными кандидатами (было неизвестно, имеют ли они вообще какую-либо массу, на самом деле первые ограничения на массы нейтрино пришли из космологических соображений в 70-х годах, не из ускорителя частиц, я полагаю), но симуляции воспроизводят крупномасштабную структуру, идущую от холодного DM. Проблема в том, что они предсказывают множество карликовых галактик, которые не наблюдаются даже во Вселенной с большим красным смещением.
@AlexeyBobrick Относительно того, «известна ли вам какая-либо работа, в которой космологические модели горячего и холодного DM были протестированы против наблюдений», я не знаю (извините), но учтите это: «точное» «обнаружение» темной материи (я имею в виду, просто более чем проблема кривых вращения и вириальных масс скоплений) выполняется с помощью наблюдений со слабым линзированием, т. е. множества очень слабых фоновых галактик, форма которых статистически обрабатывается с помощью компьютера. Это требует современных технологий (как ПЗС, так и компьютеров), поэтому это было сделано более или менее недавно, в рамках парадигмы холодной темной материи (которая еще не совершенна...
(который еще не совершенен, но использует только холодную темную материю). Должны быть еще люди, пытающиеся вписать горячую ТМ в модели, а также люди, пытающиеся найти модифицированную гравитацию, которая вообще не нуждается в ТМ, а также люди, пытающиеся отбросить все наши космологические оценки расстояний, утверждая, что что Вселенная недостаточно однородна, чтобы можно было использовать стандартную модель космологии, которой мы пользуемся сейчас. Для всех этих альтернатив еще есть место, потому что холодная DM все еще не работает идеально, а физики элементарных частиц еще не дали нам частицу, которая решает эту загадку.
@AlexeyBobrick Я призываю вас углубиться в ArXiV и попытаться найти такие исследования, в которых смешиваются горячие и холодные DM. Это фантастический бесплатный ресурс, на котором публикуется большинство передовых исследований в области астрофизики и физики элементарных частиц. Это довольно сложно, и вам придется отфильтровать множество неизвестных или несвязанных вещей, но, в конце концов, это стоит затраченных усилий.
@Дилатон Привет, Дилатон. TRF — отличный блог. Я не обнаружил его до сих пор. Мне очень нравится стиль письма Любоша. Я вижу, ты и Dimension10 тоже там.
@Dilaton До сих пор я не обнаружил Любоша. Его блог невероятен, вау! Я действительно хорошо провожу время, читая его посты. Он ироничен и язвителен (я смеюсь, как черт), и кажется очень точным (по крайней мере, консервативным, потому что большая часть материала для меня в новинку) в своих научных утверждениях. У него другой стиль, чем у Рона, но это еще одно «обязательство». Я не обращал внимания на TRF, пока вы не разместили эту ссылку.
@EduardoGuerrasValera: Спасибо за столько ответов! Последний маленький вопрос: вы говорите, что горячий DM имеет тенденцию создавать слишком много маленьких гало и карликовых галактик в ранней Вселенной. Это кажется нелогичным, поскольку горячая ТМ быстрая и, следовательно, должна быть более размытой и формировать структуры в больших, а не в малых масштабах. Почему же тогда горячий DM любит образовывать маленькие ореолы?
@EduardoGuerrasValera да Люмо рулит :-D! Читая TRF, я часто чуть не выплевываю свой кофе на экран, из-за его временами чрезвычайно забавного стиля письма, он регулярно заставляет меня ржать :-D. И, конечно же, изучение передовой физики у него очень ценно и ценно для меня!
@Dilaton, у меня сложилось впечатление, что он немного более осторожен и консервативен в изложении научных фактов, чем Рон, и это приводит к большей точности. Рон очень часто отваживается войти на неизвестную территорию, уверенный в своих знаниях и интеллекте, а затем заканчивает делать заявления, которые являются его выводами, свежими и обычно удивительными, но без особой фильтрации.
@AlexeyBobrick Нет, вы неправильно истолковали мой комментарий (или я недостаточно хорошо объяснил). Горячий DM НЕ образует маленьких ореолов. Это COLD DM формирует слишком много субореолов в симуляциях. Структурообразование — очень сложная область исследований. Моделирование, которое лучше воспроизводит то, как росли возмущения плотности в ранней Вселенной, пока не образовалось что-то близкое к нашей Вселенной, сегодня основано только на холодной dm. Я не могу на 100% гарантировать, что в смешанных моделях никто не работает. Но наиболее принятой сегодня парадигмой является только холодная темная материя, хотя она все еще не совершенна.
@EduardoGuerrasValera Мне нравятся они оба :-), и если бы Рон все еще мог быть среди нас где-то еще, некоторые вещи , вероятно, были бы менее безнадежными. Иногда мне хочется, чтобы у меня была машина времени, чтобы отменить определенные ключевые события...
@Dilaton Пожалуйста, не пропустите это . Вам, вероятно, понравится. Это идет для вас, УРА!
@EduardoGuerrasValera отличный ответ, он резюмирует то, что я всегда говорил с тех пор, как ... вы знаете, когда :-). Мне придется войти в систему на Рождество исключительно для +1, если он (вместе с вопросом, к которому он прикреплен) все еще там! Если вы еще не видели его, возможно, вас это тоже заинтересует ;-)
@EduardoGuerrasValera ха, я только что увидел последний абзац, который вы добавили к своему ответу: точно по делу!
Помимо «проблемы пропавшего спутника», есть и другие проблемы, и они возникают во внутренних областях смоделированных скоплений и галактик. Смоделированные галактики и скопления галактик имеют более крутые профили плотности, чем наблюдаемые скопления — даже в Большом Симуляторе. Люди думают, что может потребоваться дополнительная симуляция физики в центрах этих объектов, где барионное содержание может вступить в игру. Эти соображения можно рассматривать как законные физические поправки к доминирующей парадигме cdm. Как уже упоминал @EduardoGuerrasValera, теплая/горячая темная материя
(продолжение) стирает мелкие структуры, и ясно, что они существуют.
Теплая темная материя; en.wikipedia.org/wiki/Warm_dark_matter Этот ответ устарел и далек от дидактики.
@RobJeffries Вы можете обновить / улучшить его (нажмите «Изменить»). Или, что гораздо лучше, я предлагаю вам написать полный новый ответ.
@RobJeffries ... особенно, если он основан на суперпартнере (пока что полностью спекулятивной теории с нулевыми доказательствами) (уже полностью гипотетического) гравитона. На таком форуме, как этот, и коротком неформальном ответе, подобном этому, я думаю, что достаточно (или, по крайней мере , поучительно ), придерживаться того, что более или менее мейнстримно. Но, как уже говорилось, вы можете написать свой ответ.
То, что вы считаете «мейнстримом», не является тем, что делают другие. Тёплая тёмная материя — область современных исследований; тепловые реликвии и стерильные нейтрино, безусловно, не являются какой-то теоретической заводью. Двухкомпонентные модели, включающие как CDM, так и WDM, предлагаются для решения ряда проблем, с которыми сталкиваются модели CDM. Я уже пишу много ответов на этом форуме. Я не собираюсь отвечать на тот, на который уже есть принятый ответ с большим количеством голосов, даже если, на мой взгляд, он содержит пару вводящих в заблуждение абзацев (3 и 4).

По сути, ответ — это бритва Оккама : ищите самое простое решение и избегайте сложных и надуманных решений, если только они не требуются (наблюдениями) . Да, вполне возможно, что существуют два или более типов частиц темной материи. Но любые решения, в которых не доминирует ни один вид, требуют тонкой настройки и, следовательно, являются неблагоприятными. Таким образом, если не существует теории, которая естественно исходила бы из смеси частиц темной материи (с разными свойствами в отношении их астрофизических значений, т. е. горячих и холодных и т. д., когда бритва Оккама неприменима ), мы должны ожидать, что только один вид будет доминировать . .

Если такая теория не может объяснить данные, только тогда имеет смысл перейти к более сложной модели с более чем одним типом частиц темной материи. В настоящее время мы не находимся на этом этапе.

Что ж, я думаю, что большинство естественных теорий на самом деле предсказывают более одного вида. И потом, по поводу бритвы Оккама, она здесь тоже не применима. Представьте себе теории «А», «В», «А+В», дающие три разных предсказания, и все они жизнеспособны. Тогда совершенно неправомерно исключать из рассмотрения "А+В". Впрочем, это правильное замечание, чем больше параметров - тем больше неопределенностей и тонкой настройки.
Бритва @AlexeyBobrick Оккама говорит, что мы не должны начинать играть более чем с одним другим типом частиц DM, если только нет убедительных независимых доказательств или теории об обратном. Здесь теория — это не просто простая модель (бездельничать), а предсказание отношений между двумя видами DM, которое естественным образом возникает из некоторого более глубокого понимания. Итак, если ваше «А+В» является теорией в этом смысле, то бритва Оккама неприменима. Однако, насколько мне известно, в настоящее время серьезно не рассматриваются никакие теории DM с участием более одного вида.
Да, @Walter, «A + B» - это теория именно в этом смысле: как и ожидалось, как и два других. Для чего это требуется, проверьте возможные расширения стандартной модели. Почему он не используется серьезно, проверьте другой данный ответ.
@AlexeyBobrick Итак, какая теория естественно содержит два разных (один горячий, один холодный) вид частиц DM в примерно равных пропорциях (так что ни один из них не доминирует)? Другой ответ не объясняет , почему такие теории серьезно не рассматриваются. Насколько я знаю, в настоящее время нельзя исключать смесь горячих и холодных частиц, но используется бритва Оккама.
Например, суперсимметрия. Ключевым моментом, однако, является то, что возможные расширения не противоречат друг другу. Согласно другому ответу: две основные микроскопически мотивированные модели - это горячая и холодная DM. Наблюдения за крупномасштабной структурой говорят в пользу холодной DM, космология дает ограничения для обоих, следовательно, нет значительного количества горячего компонента. Плюс горячая ДМ не играет большой роли на малых масштабах. Как вы думаете, что было бы достойно дальнейшего рассмотрения здесь?
Не могли бы минусаторы указать, что я могу улучшить с помощью этого ответа и/или почему он бесполезен?
@AlexeyBobrick Нет доказательств суперсимметрии. Насколько я знаю, суперсимметрия не сделала ни одного фальсифицируемого предсказания, которое впоследствии было бы подтверждено. Суперсимметрия — это классический ВОМБАТ (= растрата денег ( налогоплательщиков ) , мозга и времени ) .
да - конечно так. Это не было подтверждено, есть только некоторые косвенные ненадежные доказательства этого из наблюдений/экспериментов (инфляция, DM, массы нейтрино ..). Теоретически он часто использовался, например, в ads-cft.
Во-первых, я согласен с вашим аргументом бритвы Оккама. Во-вторых, я думал, что у CDM возникли проблемы с объяснением отсутствия «остроконечности» в выведенных профилях DM карликовых галактик. Есть ли какой-либо пробег в двухфазной модели DM в решении этой проблемы? В-третьих, будьте осторожны — термин WOMBAT можно в равной степени приравнять ко всей индустрии темной материи, пока некоторые из них не будут обнаружены (хотя это, по крайней мере, модель, которая делает фальсифицируемые предсказания)!
@RobJeffries спасибо за ваш комментарий. Я полностью осознаю, что темная материя все еще является лишь гипотезой и зависит от правильности ОТО, которая, в свою очередь, не проверяется экспериментально на соответствующих напряженностях поля (или, я бы сказал, «слабости»). Проблема куспинности не является фундаментальной проблемой, поскольку ее предсказание игнорирует барионные эффекты, которые должны играть роль в малых масштабах. Более того, в масштабах галактических скоплений каспы присутствуют (профиль массы во внешних частях галактик центрального скопления такой же, как мы ожидаем для внутренних частей гало скопления).
@RobJeffries Меня особенно беспокоит растрата мозга, сравнительно небольшая часть которого тратится на «индустрию» темной материи.
Два вида темной материи?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v