О (мизерном) образовании темной материи в сверхновых

Считается, что темная материя состоит из частиц, которые слабо и гравитационно взаимодействуют с материей. Одним из распространенных кандидатов на роль темной материи являются так называемые вимпы . Вимпы, в частности, тяжелые и могут быть собственными античастицами.

И, как и любые другие частицы, частицы темной материи могут рождаться при достаточно высоких энергиях. Масса частиц темной материи неизвестна, но, по оценкам, порядка 1 - 100 ГэВ , что соответствует температурам Т Д М ≈ 10 13 - 10 15 К , при котором можно ожидать образования этих частиц.

Такие огромные температуры едва достижимы в любых разумных астрофизических процессах, но, скажем, при коллапсе ядра вновь образованное ядро ​​имеет температуру Т С Н , а ф т е р ≈ 10 11 К , и, возможно, больше на этапе коллапса. Тогда грубая оценка предполагает, что количество производимой темной материи составляет М Д М ≈ е − Т Д М / Т С Н , м а Икс М ⊙ . Или в числовой форме журнал 10 ⁡ ( М Д М / кг ) знак равно 30,3 − 0,43 ( Т Д М / Т С Н ) . Это означает, что при Т С Н знак равно 1,4 ⋅ 10 − 2 Т Д М количество темной материи, произведенной во время вспышки сверхновой, составит около одного килограмма. Такие температуры вполне достижимы для 1 ГэВ частицы ДМ. Таким образом, можно с оптимизмом ожидать, что каждая сверхновая произведет несколько килограммов темной материи.

Теперь вопрос. Каково типичное образование темной материи в сверхновых с коллапсом ядра? Я полагаю, что хорошим ответом было бы более надежное расширение существующей оценки. Любые конструктивные комментарии приветствуются.

Ответы (3)

Наиболее популярными вимпами на данный момент, вероятно, являются нейтралино, см. http://en.wikipedia.org/wiki/Neutralino .

На данный момент эти частицы являются чисто гипотетическими. Оценки массы в приведенной выше статье в Википедии для самых легких нейтралино находятся в диапазоне от 10 до 10 000 ГэВ, а это означает, что скорость образования сверхновых будет намного ниже, чем при предполагаемом 1 ГэВ. На LHC уже должны были быть обнаружены более высокие темпы производства.

Следовательно, из необнаружения (в виде потери энергии) WIMPS на LHC должна быть возможна оценка верхней границы производительности в SN.

Мне все равно было бы любопытно узнать такую ​​оценку. Это несколько частиц, или это нанограмм, как мы могли бы ожидать, или даже где-то выше макромасштаба? Еще один момент, препятствующий получению, кроме ожидаемого диапазона энергий, конечно, связан с сечением реакции. Они также могут быть относительно низкими.
@AlexeyBobrick Одна из гипотез состоит в том, что DM WIMPS являются продуктами распада более тяжелых частиц. SN могут достигать гораздо более высоких энергий, чем LHC, примерно до 10e19 эВ. Если производство WIMPS пойдет по этому пути, космические частицы высокой энергии могут стать дополнительным источником информации. Это некоторая надежда, которую я могу возлагать на производство DM в SN, несмотря на отсутствие на LHC. Я стесняюсь приводить цифры, потому что существует слишком много неподтвержденных гипотез. Все могут ошибаться.
правда, и это, конечно, зависит от модели. Однако даже грубая оценка для какой-то конкретной модели была бы интересна. Заметим также, что 1) наиболее энергичные космические лучи, скорее всего, не образуются в сверхновых, 2) для реакций имеет значение тепловое, а не объемное движение.
Считается, что наиболее энергичные наблюдаемые космические лучи исходят от «близлежащей» черной дыры, что еще предстоит подтвердить. Но если это так, то это также может происходить при коллапсе сверхновых в черную дыру, хотя до сих пор не удалось подтвердить хорошую корреляцию между гамма-всплесками (которые могут быть связаны с сверхновыми) и КЛ высокой энергии. Космические лучи высоких энергий ограничены в своем движении из-за смещенного в синий цвет космического микроволнового фона и связанных с ним потерь энергии. Современные представления об образовании вимпов, насколько я могу предполагать, склоняются к распаду более тяжелых частиц.
... примерно как при распаде нуклонов образуются нейтрино. Прямое рождение нейтралино с массой менее 100 ГэВ выглядит маловероятным или, по крайней мере, очень редким, более редким, чем частицы Хиггса. Теперь можно предположить вес частиц, которые распадаются на нейтралино или другие вимпы, и искать вероятности того, что эти энергии встречаются в СН. Теперь это нужно умножить на угаданное поперечное сечение реакции. Тогда гипотетический распад на вимпы должен быть простым. Но здесь у нас есть последовательность предположений, которые умножат неопределенность.
Я вижу, спасибо большое! Кстати, вы случайно не знаете, какую долю DM вообще можно ожидать не от большого взрыва?
... В результате представляется весьма вероятным, что могут быть построены модели, дающие выход от нуля до тонн вимпсов в SN. СН находятся где-то между Большим взрывом и БАК. На LHC производство вимпов как минимум низкое. В Большом взрыве они выглядят доминирующими. Чтобы получить представление о массе все еще гипотетических вимпов-частиц, необходимо было точно определить время и температуру образования при Большом взрыве и сравнить их с условиями в сверхновой.
Количество DM в большом взрыве довольно хорошо известно IIRC. Дайте мне несколько минут, я посмотрю в бумагах Планка.
«Общая масса-энергия известной Вселенной содержит 4,9% обычной материи, 26,8% темной материи и 68,3% темной энергии», см. Википедию en.wikipedia.org/wiki/Dark_matter .
DM из других источников, таких как большой взрыв, не считаются релевантными AFAIK.
Да, еще раз большое спасибо! Я также не знаю ни одного случая, когда обсуждались бы другие источники.

Есть несколько типов сверхновых и способов коллапса ядра. Возьмем крайний случай, когда гамма-фоторасщепление разрушает все тяжелые элементы (Si, Fe, Ni и т. д.) и расщепляет их на протоны, нейтроны и электроны. Каждое ядро ​​высвобождает всю свою энергию связи, около 9 МэВ на массу нуклона или 0,9% массы покоя. Я полагаю, что большая часть энергии выделяется в виде релятивистских нейтрино (остальная часть — в виде кинетической энергии протонов, нейтронов и электронов). Таким образом, верхний предел состоит в том, что 0,9% массы ядра приходится на нейтрино. Масса покоя нейтрино намного меньше, но релятивистская масса, вероятно, является более важным числом.

Только небольшая часть плотности закрытия ( Ом ) находится в звездах, Ом с т а р с = 0,0027 (Fukugita & Peebles, 2004), около 7% массы звезд уходит в сверхновые, ~10% приходится на коллапс ядра, 0,9% уходит на релятивистские нейтрино. Так что в целом Ом в горячей темной материи из сверхновой меньше 0,0027*0,07*0,1*0,009, грубо говоря.

Ваш ход мыслей заманчив и приятно читать. Но не пренебрегайте тем, что, в частности, типичный диапазон масс вимпов 1...100 ГэВ сильно оспаривается прямыми экспериментами с темной материей, а также LHC: нет никаких признаков, никаких намеков, никаких подсказок. Только ограничения и несоблюдение. На данный момент сообщество каким-то образом отходит от мышления темной материи, сосредоточенного исключительно на вимпах:

Существует бессчетное количество моделей темной материи, по которым нет консенсуса и прямых экспериментальных доказательств (опять же, только ограничения и отсутствие наблюдений). Это не тривиальное утверждение, проверяется любое отношение темной материи к нормальной материи, любой спектр масс тоже. На самом деле нет смысла начинать здесь подробно перечислять это. Есть старые добрые слабо взаимодействующие массивные частицы вимпсы, легкая темная материя, легкие медиаторы, темный сектор, сверхтяжелые, страпельные/барионные и т.д. и т.п. Большинство кандидатов нейтральны, но некоторые могут быть даже милли- заряжены, некоторые могут взаимодействовать электромагнитным путем, некоторые посредством слабого или даже сильного взаимодействия или только гравитации. Исследуемый в настоящее время спектр масс простирается от долей эВ до ТэВ.

Таким образом, на ваш вопрос: количество производимой где-либо тёмной материи будет зависеть в основном от двух свойств самой тёмной материи (которые на 100% неизвестны):

  1. как она связана с нормальной материей, как взаимодействует и
  2. какова его масса, так как масса должна быть произведена как минимум, чтобы создать частицы.

Стандартное космологическое предположение состоит в том, что вся соответствующая темная материя образовалась в результате Большого взрыва. Любое потенциальное производство сегодня (возможно, в космических лучах, сверхновых, AGN и т. д.) будет незначительным и не значительным/важным. Если масса темной материи окажется очень большой (~ ТэВ или более), любое производство сегодня в принципе НЕВОЗМОЖНО. Практически нет мест во вселенной, где можно было бы генерировать ≫ Т е В частицы темной материи от нетепловых столкновений (интересно отметить, что реальная Вселенная с высокой энергией не является тепловой, поэтому ваши оценки не могут быть применены к ней) или тепловой энергии (ваши собственные оценки выше указывают на это). Теоретически роль могут играть только космические лучи сверхвысоких энергий, но сами по себе они очень редки во Вселенной. Если масса темной материи ≪ е В они, безусловно, могут образовываться в результате тепловых или взрывных явлений, но в то же время их масса будет очень-очень мала, поэтому общий эффект/масса по-прежнему будет пренебрежимо мала.

На самом деле это не отвечает на ваш вопрос, но, насколько я понимаю, на данный момент на него нельзя ответить. Это не должно мешать вам следовать вашим оценкам, но не забывайте, что за этим стоят серьезные предположения и неопределенности.

Большое спасибо, Ральф, это определенно отрезвляющие и разумные соображения. Я предполагаю, что ваш ответ предполагает, что масса произведенной темной материи может быть между нулем (если это вимп-тип при 1 + ТэВ) и чем-то еще (если она состоит из некоторых других типов частиц). И, возможно, помимо сверхновых есть еще какие-то места для мизерного современного образования темной материи... Интересно!
О (мизерном) образовании темной материи в сверхновых
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v