Duas espécies de matéria escura?

Neste momento, as evidências da existência de matéria escura se acumularam de várias maneiras:

afeta as curvas de rotação galáctica
desempenha um papel importante na cosmologia, e a evolução da estrutura no universo
é previsto em grandes quantidades por lentes gravitacionais em uma ampla gama de escalas
influencia a dinâmica dos aglomerados de galáxias

para nomear alguns.

Existem muitos candidatos conhecidos para partículas de matéria escura: WIMPs , axions , WISPs , neutrinos etc. (de fato, até tijolos, embora algumas outras considerações os excluam).

A questão então é : por que esperamos que apenas um tipo de partículas de matéria escura seja responsável pela matéria escura fenomenológica?

Por exemplo, cosmologia CDM, o modelo cosmológico padrão, exige que a matéria escura seja fria (lenta, não relativista), usada para restringir as possíveis propriedades das partículas de matéria escura. No entanto, isso realmente não implica que a matéria escura seja fria para todos os sistemas astrofísicos. Por exemplo, halos galácticos podem ser feitos de matéria escura quente e halos de galáxias anãs podem ser feitos de matéria escura e fria. $\Lambda$

Pode-se dizer, é claro, que o modelo de uma espécie é o mais simples. O contra-argumento seria que, na realidade, pode haver muitas espécies. Por sua vez, isso pode ter implicações profundas nos modelos astrofísicos.

Para resumir a pergunta: Existe alguma boa razão, preferencialmente apoiada por observações, para pensar que apenas uma espécie de matéria escura está presente em todos os modelos atualmente usados?

— Alexey Bobrick
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Muito boa pergunta!

— Dilaton 25/10

Algumas coisas. O que são WISPs e o que você quer dizer com 'tijolos'? Além disso, a palavra 'frio' na matéria escura e fria significa que, no momento em que a matéria escura se dissociou, ela não era relativista (lenta em comparação com a velocidade da luz). O LCDM prevê estruturas muito bem em grandes escalas, é um descompasso em escalas menores que motiva as pessoas a pensar em coisas como matéria escura quente / quente, uma vez que as coisas quentes têm menos estrutura em pequenas escalas.

— astromax

Eu acho que essa é uma boa pergunta. É bem possível que o componente de matéria escura no universo seja realmente mais de um tipo de partícula massiva, talvez um que interaja fracamente, e outro não. O acréscimo de forças pelas quais as partículas podem interagir poderia adicionar avenidas adicionais para a transferência de energia para dentro e para fora desses componentes. Que a matéria escura é uma 'espécie' de partícula é simplesmente a coisa mais natural a se pensar primeiro.

— astromax

@astromax, obrigado pela sua contribuição! O WISP, de acordo com o wiki, por exemplo, significa Partículas Sub-eV com Interação Fraca, como axions. Bricks é mais uma piada. No entanto, se você tiver objetos, que pesam como tijolos comuns, espaçados adequadamente, eles se comportariam dinamicamente mais ou menos exatamente como a matéria escura (sem forças, exceto a gravidade). Então, "frio (lento)" implica velocidades não-relativísticas, embora eu o adicione para maior clareza.

— Alexey Bobrick 25/10

@astromax, obrigado também por apontar as escalas. Eu realmente tinha em mente que a matéria escura, que não é fria, a estrutura em grande escala ficaria muito mais embaçada do que é, e, portanto, concluí que é particularmente importante para pequenas estruturas que a matéria escura seja fria e menos para grandes estruturas. Você pode comentar de onde vem a discrepância? Caso contrário, suas idéias parecerão razoáveis. Eu ficaria mais do que feliz em vê-los de uma forma um pouco mais elaborada como resposta.

— Alexey Bobrick

Respostas:

A matéria escura quente seria feita de partículas muito leves e em movimento rápido. Tais partículas não poderiam estar gravitacionalmente ligadas a nenhuma estrutura, mas seriam dispersas por todo o universo.

Porém, a matéria escura é sempre "encontrada" (ou "inferida") gravitacionalmente ligada a alguma estrutura visível (por exemplo, detecção fraca de lentes da matéria escura associada a colisões de aglomerados de galáxias / curvas planas de rotação de galáxias espirais / dispersão anormal de velocidade em aglomerados de galáxias ) ou não está associado a nada visível, mas mesmo assim formando aglomerados (fraca detecção de lentes de aglomerados de galáxias antes invisíveis ). É por isso que a matéria escura é considerada fria .

Além disso, existe uma distinção clara entre os dois tipos: não existe matéria escura que "não seja muito fria, mas também não é muito quente" (consulte também a nota de rodapé). A matéria escura é feita de partículas com menos de ~ 10 eV (matéria escura quente, feita de partículas leves, principalmente dispersas em todos os lugares) ou partículas com mais de ~ 2 GeV (partículas mais pesadas e lentas gravitacionalmente ligadas a alguma estrutura). Ambos os limites são encontrados ao impor a quantidade máxima em que as partículas candidatas (neutrinos ou algo mais exótico) podem contribuir para o valor real do parâmetro de densidade devido à matéria em nosso Universo em expansão.

Assim, o DM parece gravitacionalmente ligado (DM frio) ou disperso (DM quente), e ambos os tipos são claramente distintos (10 ev vs 2 Gev). Observações favorecem o primeiro caso. No entanto, Cold Dark Matter não é a solução definitiva e ainda enfrenta alguns problemas.

Quanto à possibilidade de soluções mistas, muitas delas já foram descartadas. O microlente descartou a possibilidade de objetos compactos invisíveis (anãs marrons, estrelas, buracos negros estelares) em halos galácticos, em nossa vizinhança galáctica e no domínio extragalático . A matéria comum (pedras, tijolos, poeira) não pode ser possível; caso contrário, eles ficariam quentes e irradiariam novamente. Qualquer mistura exótica de partículas conhecidas não funciona.

Tudo o que achamos que sabemos é que o DM deve ser feito de algumas partículas pesadas ainda a serem descobertas. Para introduzir um modelo mais complexo (por exemplo, diferentes tipos de partículas, dependendo da estrutura à qual eles parecem ligados), é preciso uma justificativa (isto é, algumas previsões que melhor concordam com a realidade) e ninguém foi capaz de fazer isso ainda.

Observação Observe que as partículas da matéria escura, do tipo quente ou do frio, não podem "desacelerar" e se aglomerar demais (por exemplo, formar planetas) porque não interagem eletromagneticamente como a matéria comum, é por isso que se diz que o DM é sem colisão . Onde quer que a matéria comum infalente forme alguma estrutura (por exemplo, protoestrelas ou discos de acréscimo ), uma parte muito importante do processo é a termização , isto é , a redistribuição de energia das partículas infalentes por meio de inúmeras colisões. Isso não pode acontecer com o Dark Matter.

— Eduardo Guerras Valera
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Resposta muito boa :-). Talvez as coisas relativas à massa potencialmente possuam as partículas de matéria escura sejam esclarecidas em breve ... Embora pessoalmente eu prefira outro resultado nulo e que o enorme brimborium da mídia feito sobre esses resultados da matéria escura LUX seja usado de forma imprópria como desculpa para a decisão dos EUA fabricantes para cancelar alguns estudos experimentais de matéria escura, como comentou um comentarista do TRF ...: - /

— Dilaton 27/10/2013

@Dilaton Hey Dilaton. O TRF é um ótimo blog. Eu não tinha descoberto até agora. Eu gosto muito do estilo de escrita de Lubos. Vejo que você e Dimension10 também estão lá.

— Eduardo Guerras Valera

@ Dilaton Eu não tinha descoberto Lubos até agora. O blog dele é incrível, uau! Estou realmente me divertindo lendo suas postagens. Ele é irônico e corrosivo (estou rindo como o inferno) e parece muito preciso (pelo menos conservador, porque a maioria das coisas é nova para mim) em suas alegações científicas. Ele tem um estilo diferente de Ron, mas é outro "must". Eu não havia prestado atenção à TRF até você postar esse link.

— Eduardo Guerras Valera 28/10

@EduardoGuerrasValera yes Lumo rocks :-D! Ao ler TRF, quase sempre cago meu café na tela, por causa do seu estilo de escrita às vezes imensamente engraçado, ele me faz rir regularmente :-D. E, é claro, aprender com ele a física de ponta é muito precioso e valioso para mim também!

— Dilaton 28/10

@ Dilaton, tenho a impressão de que ele é um pouco mais cuidadoso e conservador ao declarar fatos científicos que Ron, e isso resulta em mais precisão. Ron muitas vezes ousa entrar em território desconhecido, confiante em seu conhecimento e inteligência, e depois termina fazendo declarações que são suas conclusões, novas e geralmente surpreendentes, mas sem muita filtragem.

— Eduardo Guerras Valera 28/10

Essencialmente, a resposta é a navalha de Occam : procure a solução mais simples e evite soluções complicadas e inventadas , a menos que evidências (observacionais) as exijam . Sim, é possível que existam dois ou mais tipos de partículas de matéria escura. Mas quaisquer soluções em que nenhuma espécie domine requerem ajustes finos e, portanto, são desfavoráveis. Portanto, a menos que exista uma teoria que venha naturalmente com uma mistura de partículas de matéria escura (com propriedades diferentes em relação às implicações astrofísicas, como quente e frio, etc., quando a lâmina de Occam não se aplicar ), devemos esperar que apenas uma espécie domine .

Se tal teoria falha em explicar as evidências, só então faz sentido ir para um modelo mais complicado com mais de um tipo de partícula de matéria escura. Atualmente, não estamos nessa fase.

— Walter
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Bem, acho que a maioria das teorias naturais preveria mais de uma espécie. E então, com relação à navalha de Occam, ela também não se aplica aqui. Imagine as teorias "A", "B", "A + B" dando três previsões diferentes e todas viáveis. Portanto, não se justifica absolutamente excluir "A + B" por consideração. No entanto, é um ponto correto, quanto mais parâmetros - mais incertezas e ajustes.

— Alexey Bobrick

A navalha de @AlexeyBobrick Occam diz que não devemos começar a brincar com mais de um tipo de partícula DM diferente, a menos que haja evidências ou teoria independentes convincentes ao contrário. Aqui, uma teoria não é apenas um modelo simples (zoando), mas uma previsão para a relação entre duas espécies de DM que emerge naturalmente de uma visão mais profunda. Portanto, se o seu "A + B" é uma teoria nesse sentido, a lâmina de Occam não se aplica. No entanto, AFAIK, nenhuma dessas teorias de DM com mais de uma espécie é atualmente considerada seriamente.

— Walter Walter

Sim, @Walter, "A + B" é uma teoria nesse sentido: tão esperado quanto os outros dois. Por que isso foi excedido, verifique possíveis extensões do modelo padrão. Por que não é usado com seriedade, verifique a outra resposta.

— Alexey Bobrick

@AlexeyBobrick Então, qual teoria contém naturalmente duas espécies diferentes (uma quente e uma fria) de partículas de DM em proporções aproximadamente iguais (para que nenhuma delas domine)? A outra resposta não explica por que essas teorias não são seriamente consideradas. AFAIK, uma mistura de partículas quentes e frias atualmente não pode ser descartada, mas a navalha de Occam é usada.

— Walter Walter

Supersimetria, por exemplo. O ponto chave, no entanto, é que possíveis extensões não se contradizem. De acordo com a outra resposta: dois modelos principais de motivação microscópica são DM quente e frio. Observações da estrutura em larga escala favorecem o DM frio, a cosmologia fornece limites para ambos, portanto, não há quantidades significativas de componentes quentes. Além disso, o DM quente não desempenha muito papel em pequenas escalas. O que você acha que seria digno de olhar mais aqui?

— Alexey Bobrick