Dwa gatunki ciemnej materii?

W tym momencie dowody na istnienie ciemnej materii zgromadziły się na wiele sposobów:

• wpływa na krzywe galaktyczne obrotu
• odgrywa ważną rolę w kosmologii i ewolucji struktury we wszechświecie
• jest przewidywany w dużych ilościach przez soczewkowanie grawitacyjne w szerokim zakresie skal
• wpływa na dynamikę gromad galaktyk

żeby wymienić tylko kilka.

Istnieje wiele znanych kandydatów na cząstki ciemnej materii: WIMP , osi , WISP , neutrina itp. (W rzeczywistości nawet cegły, choć niektóre inne względy by je wykluczyły).

Pytanie zatem brzmi : dlaczego spodziewamy się, że tylko jeden rodzaj cząstek ciemnej materii jest odpowiedzialny za fenomenologiczną ciemną materię?

Na przykład Kosmologia CDM, standardowy model kosmologiczny, wymaga, aby ciemna materia była zimna (powolna, nierelatywistyczna), co służy ograniczeniu możliwych właściwości cząstek ciemnej materii. Nie oznacza to jednak, że ciemna materia jest zimna dla wszystkich układów astrofizycznych. Na przykład galaktyczne aureole mogą być wykonane z ciepłej ciemnej materii, a aureole karłowatych galaktyk z zimnej ciemnej materii.$\Lambda$

Można oczywiście powiedzieć, że model jednego gatunku jest najprostszy. Kontrargumentem byłoby to, że w rzeczywistości może istnieć wiele gatunków. To z kolei może mieć głębokie implikacje dla modeli astrofizycznych.

Podsumowując pytanie: czy istnieje jakiś dobry powód, najlepiej poparty obserwacjami, aby sądzić, że we wszystkich obecnie używanych modelach występuje tylko jeden gatunek ciemnej materii?

Gorąca ciemna materia byłaby zbudowana z bardzo jasnych, szybko poruszających się cząstek. Cząstki takie nie mogłyby być związane grawitacyjnie z żadną strukturą, ale raczej byłyby rozproszone po całym wszechświecie.

Ale ciemna materia jest zawsze „znaleziona” (lub „wywnioskowana”) albo grawitacyjnie związana z jakąś widoczną strukturą (np. Słabe wykrywanie soczewkowania ciemnej materii związane ze zderzaniem się gromad galaktyk / płaskie krzywe rotacji galaktyk spiralnych / nienormalna dyspersja prędkości w gromadach galaktyk ) lub niezwiązane z niczym widocznym, ale mimo to tworzące grudki (słabe wykrywanie soczewkowania gromad galaktyk wcześniej niewidocznych ). Dlatego uważa się, że ciemna materia jest zimna .

Ponadto istnieje wyraźne rozróżnienie między tymi dwoma typami: nie ma czegoś takiego jak ciemna materia, która „nie byłaby zbyt zimna, ale też nie jest zbyt gorąca” (patrz także przypis). Ciemna materia jest albo zbudowana z cząstek o wartości mniejszej niż ~ 10 eV (gorąca ciemna materia, zbudowana z lekkich cząstek, głównie wszędzie rozproszonych) lub cząstek o więcej niż ~ 2 GeV (cięższe, wolniejsze cząstki związane grawitacyjnie z jakąś strukturą). Obie granice występują przy narzucaniu maksymalnej ilości, w jakiej cząstki kandydujące (neutrina lub coś bardziej egzotycznego) mogą przyczynić się do rzeczywistej wartości parametru gęstości z powodu materii w naszym rozszerzającym się Wszechświecie.

Tak więc albo DM wydaje się związany grawitacyjnie (zimny DM) lub rozproszony (gorący DM), a oba typy są wyraźnie różne (10 ev vs 2 Gev). Obserwacje faworyzują pierwszy przypadek. Jednak Cold Dark Matter nie jest najlepszym rozwiązaniem i wciąż napotyka pewne problemy.

Jeśli chodzi o możliwość mieszanych rozwiązań, wiele z nich zostało już wykluczonych. Mikrosoczewkowanie wykluczyło możliwość niewidzialności zwartych obiektów (brązowe karły, gwiazdy, gwiezdne czarne dziury) w galaktycznych aureolach, w naszym galaktycznym sąsiedztwie, a także w sferze pozagalaktycznej . Zwykła materia (kamienie, cegły, kurz) nie może być, w przeciwnym razie staną się gorące i promieniują ponownie. Żadna egzotyczna mieszanka znanych cząstek nie działa.

Wydaje nam się, że wiemy tylko, że DM musi być wykonany z ciężkich cząstek, które dopiero zostaną odkryte. Aby wprowadzić bardziej złożony model (np. Różne typy cząstek w zależności od struktury, do której wydają się być przywiązani), potrzebne jest uzasadnienie (tj. Niektóre prognozy, które lepiej zgadzają się z rzeczywistością) i nikt jeszcze nie był w stanie tego zrobić.

Uwaga: Cząstki ciemnej materii, zarówno z rodzaju gorącego, jak i zimnego, nie są w stanie „zwolnić” i zbytnio się zbić (np. Tworząc planety), ponieważ nie wchodzą w interakcje elektromagnetyczne jak zwykła materia, dlatego mówi się, że DM bezkolizyjny . Gdziekolwiek infalling zwykła materia tworzy jakąkolwiek strukturę (np. Protostars lub dyski akrecyjne ), bardzo ważną częścią procesu jest termizacja , tj. Redystrybucja energii infalling cząstek przez liczne zderzenia. Nie może się to zdarzyć w przypadku Ciemnej Materii.

Zasadniczo odpowiedzią jest brzytwa Ockhama : szukaj najprostszego rozwiązania i unikaj skomplikowanych i wymyślonych rozwiązań, chyba że wymagają tego dowody (obserwacyjne) . Tak, możliwe jest, że istnieją dwa lub więcej rodzajów cząstek ciemnej materii. Jednak wszelkie rozwiązania, w których nie dominuje żaden gatunek, wymagają dopracowania, a zatem są niekorzystne. Tak więc, chyba że istnieje jakaś teoria, która naturalnie przyszedłaby z mieszanką cząstek ciemnej materii (o różnych właściwościach w odniesieniu do ich implikacji astrofizycznych, tj. Gorąca i zimna itp., Gdy brzytwa Ockhama nie ma zastosowania ), powinniśmy oczekiwać, że dominuje tylko jeden gatunek .

Jeśli taka teoria nie wyjaśnia dowodów, tylko wtedy sensowne jest przejście do bardziej skomplikowanego modelu z więcej niż jednym rodzajem cząstek ciemnej materii. Obecnie nie jesteśmy na tym etapie.