¿Cuánto tiempo ha existido la materia oscura?

He leído que se teoriza sobre la existencia de la materia oscura porque las galaxias giran/se agrupan de una manera que requeriría mucha más masa de la que parece haber. También que hay lentes gravitacionales en lugares donde no parece haber tanta masa como se requeriría para la cantidad de lentes observada. Entonces se supone que hay una masa que no podemos ver, que se llama materia oscura.

¿Hay alguna evidencia sobre cuánto tiempo ha existido la materia oscura? ¿La cantidad de materia oscura ha sido constante desde el Big Bang o está aumentando? Si está aumentando, ¿la materia regular está disminuyendo a la misma velocidad?

Respuestas (2)

¿Cuánto tiempo ha existido la materia oscura?

Respuesta corta

Casi para siempre.

Respuesta larga

Suponiendo un paradigma de partículas de materia oscura, según una preimpresión de Yang (2015) publicada posteriormente en Physical Review D, el límite inferior de la vida media de las partículas de materia oscura es 3.57 × 10 24 segundos. esto es mas o menos 10 17 años. En comparación, la edad del universo es aproximadamente 1.38 × 10 10 años.

Esto significa que la materia oscura (si existe) es al menos tan estable como cualquier otra cosa que no sea un protón, que tiene una vida media determinada experimentalmente de al menos 10 34 años, o un electrón , que es teóricamente estable (al igual que el protón en el modelo estándar) y tiene una vida media determinada experimentalmente de al menos 6.6 × 10 28 años.

Esto significa que se descartan todos los candidatos a materia oscura que no sean perfectamente estables o al menos metaestables. La materia oscura en descomposición y la materia oscura con cualquier sección transversal de aniquilación significativa son inconsistentes con la observación, a menos que exista un mecanismo que genere nueva materia oscura en equilibrio con la cantidad aniquilada.

¿La cantidad de materia oscura ha sido constante desde el Big Bang o está aumentando? Si está aumentando, ¿la materia regular está disminuyendo a la misma velocidad?

El "Modelo estándar de cosmología" LambdaCDM asume una cantidad constante de materia oscura en el universo después de los primeros momentos del universo (con la densidad de la materia oscura en el universo disminuyendo en proporción al volumen espacial del universo), tal como el modelo lo hace en el caso de la materia bariónica ordinaria.

A los efectos de esta pregunta, exactamente cuántos momentos después del Big Bang tarda en emerger la materia oscura es bastante irrelevante, ya que este número es mucho menor (por un factor de muchos miles de millones) que el margen de error en nuestras estimaciones de la edad. del universo.

Advertencia

Sin embargo, no todas las líneas de evidencia son consistentes con este análisis. Un artículo en la revista Nature , Bowman (marzo de 2018) , analizando la "línea de 21 centímetros" en el espectro de radio encuentra que:

[O] el gas primordial estaba mucho más frío de lo esperado o la temperatura de radiación de fondo era más alta de lo esperado. Es poco probable que los fenómenos astrofísicos (como la radiación de las estrellas y los restos estelares) den cuenta de esta discrepancia; De las extensiones propuestas al modelo estándar de cosmología y física de partículas, solo el enfriamiento del gas como resultado de las interacciones entre la materia oscura y los bariones parece explicar la amplitud observada.

En otras palabras, esta evidencia contradice el modelo LambdaCDM, que asume que la materia oscura "casi no tiene colisiones" y, por lo tanto, no podría causar un enfriamiento masivo a través de las interacciones entre la materia oscura y los bariones. Esta evidencia es consistente con un universo temprano (era posterior a la radiación, cientos de millones de años después del Big Bang) que no tiene materia oscura, pero esa posibilidad arroja una llave en otros aspectos del modelo LambdaCDM.

Esta contradicción, recién reconocida hace unos meses, aún no ha sido resuelta adecuadamente.

@StephenG Lo haría si pudiera, pero eso está más allá de mi conjunto de habilidades. Daría la bienvenida a las ediciones que reformatean los números de alguien que pueda hacerlo. En mi día a través de una licenciatura en matemáticas, todas las matemáticas se hacían con lápiz y papel y nunca aprendí ningún otro método de formateo, aunque aparentemente ahora enseñan composición tipográfica LaTeX en las clases de matemáticas de la escuela secundaria de mi hijo. Physics Forums tiene una interfaz más sencilla para ese tipo de cosas (al menos superíndices y subíndices y letras griegas), pero no tengo la paciencia para aprender Mathjax en este momento de mi vida, dada la poca frecuencia con la que lo uso.
Tenga en cuenta que Mathjax es el sitio estándar para expresiones matemáticas y es común que las publicaciones que no son de Mathjax usen matemáticas para obtener votos. Y aunque aprender todo Mathjax puede ser tedioso, no necesita la mayor parte para obtener los conceptos básicos. Es casi idéntico a Latex, por cierto.
Mi breve investigación sugiere que la aniquilación de la materia oscura es en gran medida un tema de investigación en curso y bastante poco limitado por la observación. por ejemplo , arxiv.org/abs/1804.01055
@RobJeffries No estoy en desacuerdo con que la aniquilación de la materia oscura es un trópico de investigación en curso, pero esto es bastante menor porque está mal limitado por la observación y más bien porque el campo está lleno de teorías de zombis que persisten porque los investigadores tienden a considerar su propia disciplina. al determinar si una teoría candidata ha sido descartada, aun cuando otras líneas de evidencia de diferente tipo desfavorezcan fuertemente a una teoría. Por ejemplo, los datos astronómicos han desfavorecido fuertemente a los candidatos a DM reliquia de 1 GeV o más basados ​​en la dinámica galáctica, pero se siguen proponiendo estas teorías.
"el límite en la materia oscura mínima significa vida útil" Esa es una elección de redacción marcadamente difícil de analizar. Si lo estoy leyendo correctamente, ¿tal vez "el límite inferior de la vida media de la materia oscura" sería más claro?
@ jpmc26 Sugerencia tomada. Estaba parafraseando parte del lenguaje del cuerpo del texto de la referencia, pero en el proceso se puso bastante feo, lo admito.

Depende de la teoría de la materia oscura que sigas : algunas teorías de la materia oscura predicen que las partículas de materia oscura tienen masas en reposo en TeVs (super-WIMP), mientras que otras predicen masas en keVs (ciertos candidatos a WDM de materia oscura cálida).

La masa en reposo esperada de los WIMP está en GeV-TeV, por lo que necesitaríamos una temperatura y densidad extremadamente altas para su formación, lo que solo podría haberse logrado en el universo primitivo. Es poco probable que las condiciones apropiadas sean abundantes ahora, incluso durante las supernovas (vea esta publicación de física SE: ¿Cuándo y dónde se formó la materia oscura de WIMP? ). Pero claramente sería más fácil lograr la condición más básica: la disponibilidad de energía, necesaria para la formación de partículas más ligeras (también puede haber otros factores a considerar). Por ejemplo, si las teorías de los neutrinos estériles (entre otros WDM) son correctas, es posible que se esté formando mucha materia oscura (siempre que no haya otras advertencias que sean difíciles de satisfacer).

Incluso hay teorías sobre la materia oscura de formación tardía, que predicen que la materia oscura se formó después de la época de la nucleosíntesis del Big Bang, pero antes del período de desacoplamiento del fondo de microondas.

Por razones similares, para responder a la pregunta "¿qué tan constantes se han mantenido los niveles de materia oscura?" tendrá que considerar el modelo que está utilizando. Las comunidades científicas actualmente se inclinan hacia el modelo WIMP y, por lo tanto, las teorías de la aniquilación de la materia oscura son relevantes para esta discusión.

Según nuestras definiciones, los WIMP no tienen carga eléctrica; Los WIMP son sus propias antipartículas, por lo que un proceso de aniquilación de 2 WIMP para producir un fermión y su antipartícula (o incluso un par de bosones gague) W + y W − o 2 Z 0 partículas) puede tener lugar sin violar la conservación del número cuántico. De hecho, este es probablemente el proceso a través del cual se formaron los WIMP en el universo primitivo, con la abundante energía necesaria para la gran masa.

Una teoría propuesta sobre cómo este proceso está involucrado en las cantidades cambiantes de DM involucra el proceso de aniquilación de DM que afecta la evolución de una estrella, y se describe en este artículo sobre arxiv .

Salatí, Pierre. “Aniquilación de la materia oscura en el universo”. Revista internacional de física moderna: serie de conferencias , vol. 30, 2014, pág. 1460256., doi:10.1142/s2010194514602567.

Parafraseado y simplificado, dice que un halo de materia oscura puede colapsar en regiones densas de WIMP en el centro de una galaxia. Las estrellas cercanas podrían atraer a algunos de estos WIMP; Posteriormente se produce el proceso de aniquilación de pares de WIMP y la estrella evoluciona hacia una gigante roja.

Parafraseando la respuesta vinculada y su análisis, cualquier materia oscura de mucho más de 10 MeV tendría que tener su origen en el Big Bang o inmediatamente después. ¿Correcto? (FWIW, los datos astronómicos favorecen fuertemente la materia oscura cálida keV sobre la materia oscura fría WIMP más pesada, por lo que el umbral puede no importar mucho de todos modos, sin embargo).
@ohwilleke Más o menos... es posible lograr algunas energías en los colisionadores de partículas, pero eso dará como resultado cantidades muy pequeñas de la partícula requerida, si corresponde. No hay procesos conocidos que puedan generar una partícula de masa en reposo significativamente alta regularmente y en grandes cantidades. Las altas temperaturas y la densidad durante el tiempo alrededor de BBN serían suficientes para crear cantidades relativamente enormes. También estamos descuidando la importancia de la posible necesidad de conservar ciertas cantidades distintas de la energía.
No hay argumentos con la parte de formación de su respuesta, pero la pregunta también pregunta si el contenido de materia oscura es constante. Podría decaer o ser aniquilado. arxiv.org/abs/1804.01055
@RobJeffries Gracias, me había perdido esa parte de la pregunta. Me temo que realmente no tengo los antecedentes para escribir con confianza sobre el contenido de ese documento que vinculó, pero he incluido lo que sé sobre la aniquilación de materia oscura en WIMP. No he leído sobre teorías que involucren la descomposición de la materia oscura, así que no mencioné eso.
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