¿Dos especies de materia oscura?

En este momento, la evidencia de la existencia de materia oscura se ha acumulado de muchas maneras:

afecta las curvas de rotación galáctica
juega un papel importante en la cosmología y la evolución de la estructura en el universo
se predice en grandes cantidades por lentes gravitacionales en una amplia gama de escalas
influye en la dinámica de los cúmulos de galaxias

para nombrar unos pocos.

Hay muchos candidatos conocidos para partículas de materia oscura: WIMP , axiones , WISP , neutrinos, etc. (de hecho, incluso ladrillos, aunque algunas otras consideraciones los excluirían).

La pregunta entonces es : ¿Por qué esperamos que solo un tipo de partículas de materia oscura sea responsable de la materia oscura fenomenológica?

Por ejemplo, CDM cosmología, el modelo cosmológico estándar, requiere materia oscura a ser frío (lento, no relativista), que se utiliza para limitar las posibles propiedades de las partículas de materia oscura. Sin embargo, esto no implica que la materia oscura esté fría para todos los sistemas astrofísicos. Por ejemplo, los halos galácticos podrían estar hechos de materia oscura cálida, y los halos de galaxias enanas podrían estar hechos de materia oscura fría. $\Lambda$

Por supuesto, se podría decir que el modelo de una especie es el más simple. El contraargumento sería que en realidad puede haber muchas especies. Esto a su vez podría tener profundas implicaciones para los modelos astrofísicos.

Para resumir la pregunta: ¿Hay alguna buena razón, preferiblemente apoyada por observaciones, para pensar que solo una especie de materia oscura está presente en todos los modelos utilizados actualmente?

— Alexey Bobrick
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Muy buena pregunta!

— Dilaton

Un par de cosas. ¿Qué son los WISP y qué quieres decir con "ladrillos"? Además, la palabra "frío" en la materia oscura fría significa que en el momento en que la materia oscura se desacoplaba, no era relativista (lenta en comparación con la velocidad de la luz). LCDM predice estructuras muy bien en escalas grandes, es una falta de coincidencia en escalas más pequeñas que motiva a las personas a pensar en cosas como materia oscura cálida / caliente ya que las cosas cálidas tienen menos estructura en escalas pequeñas.

— astromax

Sin embargo, creo que esta es una buena pregunta. Es muy posible que el componente de materia oscura del universo sea en realidad más de un tipo de partícula masiva, tal vez una que interactúa débilmente y otra que no. Agregar fuerzas a través de las cuales las partículas pueden interactuar agregaría vías adicionales para la transferencia de energía dentro y fuera de estos componentes. Que la materia oscura es una 'especie' de partícula es simplemente la cosa más natural en la que pensar primero.

— astromax

@astromax, gracias por tu aporte! WISP, según wiki, por ejemplo, significa partículas Sub-eV que interactúan débilmente, como axiones. Ladrillos es más una broma. Sin embargo, si tiene objetos, que pesan como los ladrillos comunes, adecuadamente espaciados, se comportarían dinámicamente más o menos exactamente como lo haría la materia oscura (sin fuerzas excepto la gravedad). Entonces, "frío (lento)" implica velocidades no relativistas, aunque lo agregaré para mayor claridad.

— Alexey Bobrick

@astromax, gracias también por señalar las escalas. En realidad, tenía en mente que la materia oscura, que no es fría, la estructura a gran escala se vería mucho más borrosa de lo que es, y por lo tanto concluí que es particularmente importante para las estructuras pequeñas que la materia oscura sea fría, y menos aún para grandes estructuras ¿Puedes comentar de dónde viene la discrepancia? De lo contrario, sus ideas parecen razonables. Estaría más que feliz de verlos en una forma un poco más elaborada como respuesta.

— Alexey Bobrick

Respuestas:

La materia oscura caliente estaría hecha de partículas muy ligeras y de rápido movimiento. Tales partículas no podrían estar unidas gravitacionalmente a ninguna estructura, sino que se dispersarían por todo el universo.

Pero la materia oscura siempre se "encuentra" (o "deduce") unida gravitacionalmente a alguna estructura visible (p. Ej., Detección de lentes débiles de materia oscura asociada con cúmulos de galaxias en colisión / curvas de rotación planas de galaxias espirales / dispersión de velocidad anormal en cúmulos de galaxias ) o no asociado a nada visible pero que forma grupos (detección de lentes débiles de cúmulos de galaxias nunca antes vistos ). Por eso se cree que la materia oscura es fría .

Además, existe una clara distinción entre ambos tipos: no existe una materia oscura que "no esté demasiado fría pero tampoco demasiado caliente" (véase también la nota al pie de página). La materia oscura está hecha de partículas con menos de ~ 10 eV (materia oscura caliente, hecha de partículas claras, principalmente dispersas en todas partes) o partículas con más de ~ 2 GeV (partículas más pesadas y lentas unidas gravitacionalmente a alguna estructura). Ambos límites se encuentran al imponer la cantidad máxima en la que las partículas candidatas (neutrinos o algo más exótico) posiblemente puedan contribuir al valor real del parámetro de densidad debido a la materia en nuestro Universo en expansión.

Por lo tanto, la DM aparece unida gravitacionalmente (DM fría) o dispersa (DM caliente), y ambos tipos son claramente distintos (10 ev frente a 2 Gev). Las observaciones favorecen el primer caso. Sin embargo, Cold Dark Matter no es la solución definitiva y aún enfrenta algunos problemas.

En cuanto a la posibilidad de soluciones mixtas, muchas de ellas ya han sido descartadas. La microlente ha descartado la posibilidad de objetos compactos invisibles (enanas marrones, estrellas, agujeros negros estelares) en halos galácticos, en nuestro vecindario galáctico y en el dominio extragaláctico . La materia ordinaria (piedras, ladrillos, polvo) no puede ser posible, de lo contrario se calientan y se irradian de nuevo. Cualquier mezcla exótica de partículas conocidas no funciona.

Todo lo que creemos saber es que la DM debe estar hecha de algunas partículas pesadas aún por descubrir. Para introducir un modelo más complejo (por ejemplo, diferentes tipos de partículas dependiendo de la estructura a la que parecen adheridas), se necesita una justificación (es decir, algunas predicciones que coincidan mejor con la realidad) y nadie ha podido hacerlo todavía.

Observación Tenga en cuenta que las partículas de materia oscura, ya sea del tipo caliente o frío, no pueden "ralentizarse" y agruparse demasiado (por ejemplo, formando planetas) porque no interactúan electromagnéticamente como la materia ordinaria, por eso se dice que DM es sin colisiones . Dondequiera que la materia ordinaria que cae forma alguna estructura (por ejemplo, protostars o discos de acreción ), una parte muy importante del proceso es la termalización , es decir, la redistribución de la energía de las partículas que caen por medio de numerosas colisiones. Esto no puede suceder con Dark Matter.

— Eduardo Guerras Valera
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Muy buena respuesta :-). Tal vez las cosas relativas a la masa que potencialmente tienen las partículas de materia oscura se aclararán pronto ... Aunque personalmente prefiero otro resultado nulo y que el enorme brimborium de los medios creado sobre estos resultados de la materia oscura LUX se utilizará incorrectamente como una excusa para la decisión de los EE. UU. fabricantes para cancelar algunos estudios experimentales de materia oscura, como dijo un comentarista en TRF ...: - /

— Dilaton

@Dilaton Hola Dilaton. TRF es un gran blog. No lo había descubierto hasta ahora. Me gusta mucho el estilo de escritura de Lubos. Te veo y Dimension10 también estás allí.

— Eduardo Guerras Valera

@Dilaton No había descubierto Lubos hasta ahora. Su blog es increíble, ¡guau! Realmente estoy pasando un buen rato leyendo sus publicaciones. Es irónico y corrosivo (me río como el infierno), y parece muy preciso (al menos conservador, porque la mayoría de las cosas son nuevas para mí) en sus afirmaciones científicas. Tiene un estilo diferente al de Ron, pero es otro "must". No había prestado atención a TRF hasta que publicaste ese enlace.

— Eduardo Guerras Valera

@EduardoGuerrasValera sí Lumo rocas :-D! Cuando leo TRF, a menudo casi escupo mi café en mi pantalla, debido a su estilo de escritura inmensamente divertido, me hace LOL regularmente :-D. ¡Y, por supuesto, aprender de él física de vanguardia también es muy valioso y valioso para mí!

— Dilaton

@Dilaton, tengo la impresión de que es un poco más cuidadoso y conservador al afirmar hechos científicos que Ron, y eso da como resultado una mayor precisión. Ron a menudo se atreve a entrar en territorio desconocido, confiado en su conocimiento e inteligencia, y luego termina haciendo declaraciones que son sus conclusiones, frescas y generalmente sorprendentes, pero sin mucho filtrado.

— Eduardo Guerras Valera

Esencialmente, la respuesta es la navaja de Occam : busque la solución más simple y evite soluciones complicadas y artificiales , a menos que la evidencia (de observación) lo requiera . Sí, es posible que existan dos o más tipos de partículas de materia oscura. Pero cualquier solución en la que no domine ninguna especie requiere un ajuste fino y, por lo tanto, es desfavorable. Entonces, a menos que haya una teoría que naturalmente vendría con una mezcla de partículas de materia oscura (con diferentes propiedades con respecto a sus implicaciones astrofísicas, es decir, calor y frío, etc., cuando la navaja de afeitar de Occam no se aplica ), deberíamos esperar que solo una especie domine .

Si tal teoría no explica la evidencia, solo entonces tiene sentido ir a un modelo más complicado con más de un tipo de partícula de materia oscura. Actualmente, no estamos en esa etapa.

— Walter
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Bueno, creo que la teoría más natural en realidad predeciría más de una especie. Y luego, con respecto a la navaja de Occam, tampoco se aplica aquí. Imagine las teorías "A", "B", "A + B" dando tres predicciones diferentes y todas son viables. Entonces no está absolutamente justificado excluir "A + B" por consideración. Sin embargo, es un punto correcto, cuantos más parámetros, más incertidumbres y ajustes.

— Alexey Bobrick

La maquinilla de afeitar de @AlexeyBobrick Occam dice que no debemos comenzar a jugar con más de un tipo de partícula DM diferente, a menos que haya evidencia o teoría independiente convincente de lo contrario. Aquí, una teoría no es solo un modelo simple (perder el tiempo), sino una predicción de la relación entre dos especies de DM que surge naturalmente de una visión más profunda. Entonces, si su "A + B" es una teoría en este sentido, entonces la navaja de Occam no se aplica. Sin embargo, AFAIK, actualmente no se consideran seriamente tales teorías de DM con más de una especie.

— Walter

Sí, @Walter, "A + B" es una teoría en este mismo sentido: como se esperaba como los otros dos. Para saber por qué se utiliza, verifique las posibles extensiones del modelo estándar. Para saber por qué no se usa seriamente, verifique la otra respuesta dada.

— Alexey Bobrick

@AlexeyBobrick Entonces, ¿qué teoría contiene naturalmente dos especies diferentes (una caliente, una fría) de partículas de DM en proporciones más o menos iguales (para que ninguna domine)? La otra respuesta no explica por qué tales teorías no se consideran seriamente. AFAIK, actualmente no se puede descartar una mezcla de partículas calientes y frías, pero se usa la navaja de afeitar de Occam.

— Walter

Supersimetría, por ejemplo. Sin embargo, el punto clave es que las posibles extensiones no se contradicen entre sí. Según la otra respuesta: dos modelos principales motivados microscópicamente son DM caliente y frío. Las observaciones de la estructura a gran escala favorecen la DM fría, la cosmología da límites a ambas, por lo tanto, no hay cantidades significativas de componentes calientes. Además, el DM caliente no juega mucho papel en escalas pequeñas. ¿Qué crees que sería digno de ver más aquí?

— Alexey Bobrick