¿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 mediante 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, Λ La cosmología CDM, el modelo cosmológico estándar, requiere que la materia oscura sea fría (lenta, no relativista), lo que se utiliza para restringir las posibles propiedades de las partículas de materia oscura. Sin embargo, esto en realidad no implica que la materia oscura sea fría para todos los sistemas astrofísicos. Por ejemplo, los halos galácticos podrían estar hechos de materia oscura cálida y los halos de las galaxias enanas podrían estar hechos de materia oscura fría.

Por supuesto, se podría decir que el modelo de una especie es el más simple. El contraargumento sería que en realidad bien 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 respaldada por observaciones, para pensar que solo una especie de materia oscura está presente en todos los modelos utilizados actualmente?

¡Muy buena pregunta!
Un par de cosas. ¿Qué son los WISP y qué quiere decir con 'ladrillos'? Además, la palabra 'fría' en 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 muy bien las estructuras a gran escala, es un desajuste en escalas más pequeñas lo 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.
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, quizás una que interactúa débilmente y otra no. Agregar fuerzas a través de las cuales las partículas pueden interactuar agregaría vías adicionales para la transferencia de energía hacia y desde estos componentes. Que la materia oscura sea una 'especie' de partícula es simplemente lo más natural en lo que pensar primero.
@astromax, ¡gracias por tu aporte! WISP, según wiki, por ejemplo, significa partículas sub-eV de interacción débil, como los axiones. Bricks es más una broma. Sin embargo, si tiene objetos, que pesan como los ladrillos comunes, espaciados adecuadamente, 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 ¿También agregarías un enlace a los WISP ya que no estoy familiarizado con ellos? Además, creo que he oído hablar de algunas simulaciones de N-cuerpos que contienen más de un solo componente oscuro. Si / cuando los encuentre, intentaré escribir una respuesta a esta pregunta.
@astromax, gracias también por señalar las escalas. Realmente 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 llegué a la conclusión de que es particularmente importante para las estructuras pequeñas que la materia oscura sea fría, y menos para las estructuras más 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.
@astromax: ¡Gracias de nuevo! Los WISP no tienen su propia página, pero agregaré un enlace a la página, donde se mencionan.
Realmente no podemos esperar un tipo o varios tipos de materia oscura. La materia oscura podría ser una amplia variedad de partículas, siempre y cuando no colisionen con nuestra materia y otras energías que podemos observar fácilmente, y aún así tener energía.
@someone-u-other: Cierto, amplio, pero como lo indican las respuestas, una variedad no demasiado amplia, por ejemplo, las masas deben ser comparables. Así que pueden ser muchos tipos de partículas en lugar de uno, pero con pocas consecuencias fenomenológicas.
Dado que no hay evidencia de la naturaleza de la materia oscura, tal vez haya un zoológico completo de partículas DM muy parecidas a las que hay para la materia "normal" y que hay fuerzas "oscuras" que solo afectan la materia oscura y esto crea un universo completo de materia oscura. de existencia de la que somos completamente inconscientes excepto que sentimos la gravedad que genera.
La idea es interesante y, sin embargo, sabemos que, en comparación con la materia ordinaria, la materia oscura interactúa mucho menos consigo misma, si es que lo hace.

Respuestas (2)

La materia oscura caliente estaría formada por partículas muy ligeras que se mueven rápidamente. Tales partículas posiblemente no podrían estar unidas gravitacionalmente a ninguna estructura, sino que estarían dispersas por todo el universo.

Pero la materia oscura siempre se "encuentra" (o "infiere") ya sea unida gravitacionalmente a alguna estructura visible (por ejemplo, detección de lente débil 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 está asociado a nada visible pero, sin embargo, forma grupos (detección de lente débil de cúmulos de galaxias que no se habían visto previamente ). Por eso se cree que la materia oscura es fría .

Además, existe una clara distinción entre ambos tipos: no existe la materia oscura que "no sea demasiado fría pero tampoco demasiado caliente" (ver nota al pie también). La materia oscura está hecha de partículas con menos de ~10 eV (materia oscura caliente, hecha de partículas ligeras, en su mayoría dispersas por 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 pueden contribuir al valor real del parámetro de densidad debido a la materia en nuestro Universo en expansión.

Por lo tanto, el DM aparece unido gravitacionalmente (DM frío) o disperso (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, tanto en nuestro vecindario galáctico como en el dominio extragaláctico . La materia ordinaria (piedras, ladrillos, polvo) no puede existir, de lo contrario se calentarían y volverían a irradiar. 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 aparecen adheridas) se necesita una justificación (es decir, algunas predicciones que concuerden mejor con la realidad) y nadie ha sido capaz de hacerlo todavía.

Observación Tenga en cuenta que las partículas de materia oscura, ya sea del tipo frío o caliente, no pueden "disminuir la velocidad" y agruparse demasiado (por ejemplo, formando planetas) porque no interactúan electromagnéticamente como la materia ordinaria, por eso se dice que DM es sin colisiones Siempre que la materia ordinaria que cae forma una estructura (por ejemplo, protoestrellas 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 la Materia Oscura.

Muy buena respuesta :-). Tal vez las cosas relacionadas con la masa que potencialmente tienen las partículas de materia oscura se aclaren pronto ... Aunque personalmente prefiero esperar otro resultado nulo y que el enorme alboroto de los medios sobre estos resultados de materia oscura de LUX se utilice indebidamente como una excusa para la decisión de EE. UU. fabricantes de cancelar algunos estudios experimentales de materia oscura, como dijo un comentarista en TRF... :-/
Gran respuesta, gracias! Solo tengo dos preguntas y un argumento secundario. Pregunta 1: Tal como lo entiendo, la cosmología de DM fría pone límites a las propiedades de DM fría utilizando datos de observación, mientras que la cosmología de DM caliente pone límites similares a las propiedades de DM caliente. ¿Conoce algún trabajo en el que los modelos cosmológicos Hot plus Cold DM se hayan probado con las observaciones? Pregunta 2: Supongo que está insinuando que si hubiera dos especies de MDL o dos de HDM, no tendría consecuencias físicas significativas, en comparación con los casos de un solo MDL y de un solo componente de HDM, correspondientemente. ¿Es correcto?
Ahora, un pequeño argumento: no esperamos de nuestro conocimiento actual de la física de partículas, que pueda haber partículas cálidas de materia oscura. Sin embargo, los candidatos a partículas de materia oscura fría y caliente tampoco se encuentran en el modelo estándar de física de partículas. Por lo tanto, en general, tal vez, al observar la materia oscura fenomenológica, uno debería considerar el caso cálido como una posibilidad.
@AlexeyBobrick Si hay DM caliente, debería afectar el parámetro de densidad Ω METRO y dejaría menos espacio para toda la materia ligada que se infiere de las observaciones. Hasta donde sé, no hay necesidad de DM caliente para explicar la "detección" de DM vinculado a cúmulos de galaxias en colisión, halos galácticos que afectan las curvas de rotación, etc. Por otro lado, las simulaciones por computadora (como el Bolshoi ) reproducen el universo observado partiendo de materia oscura fría, de lo contrario no logran reproducir estructuras que se asemejen a...
(...estructuras que se asemejan al) Universo tal como lo vemos hoy. La materia oscura caliente fue lo primero en lo que la gente pensó, porque los neutrinos eran un posible candidato en ese momento (no se sabía si tenían alguna masa, de hecho, las primeras restricciones sobre las masas de los neutrinos provinieron de consideraciones cosmológicas en los años 70, no de un acelerador de partículas, creo) pero las simulaciones reproducen la estructura a gran escala partiendo de DM frío. El problema es que predicen muchas galaxias enanas que no se observan, ni siquiera en el Universo de alto corrimiento al rojo.
@AlexeyBobrick Con respecto a "¿conoce algún trabajo en el que los modelos cosmológicos Hot plus Cold DM se hayan probado con las observaciones", no lo sé (lo siento), pero considere esto: "detección" de materia oscura "fina" (quiero decir, simplemente más que el problema de las curvas de rotación y las masas viriales de los cúmulos) se realiza mediante observaciones de lentes débiles, es decir, muchas galaxias de fondo muy débiles cuyas formas se procesan estadísticamente con una computadora. Esto requiere tecnología moderna (tanto CCD como computadoras), por lo que se ha hecho más o menos recientemente, bajo el paradigma de la materia oscura fría (que aún no es perfecto...
(que aún no es perfecto pero usa solo materia oscura fría). Todavía debe haber gente tratando de hacer que el DM caliente encaje en los modelos, así como todavía hay personas tratando de encontrar una gravedad modificada que no necesite DM en absoluto, y también personas tratando de descartar todas nuestras estimaciones de distancia cosmológica, argumentando que el Universo no es lo suficientemente homogéneo para permitir usar el modelo estándar de Cosmología que usamos ahora. Todavía hay espacio para todas esas alternativas, porque el DM frío todavía no funciona a la perfección, y los físicos de partículas aún no nos han dado la partícula que resuelve el misterio.
@AlexeyBobrick Te animo a profundizar en ArXiV y tratar de encontrar estudios que mezclen DM frío y caliente. Es un recurso fantástico y gratuito donde se publica la mayor parte de la investigación de vanguardia en astrofísica y física de partículas. Es algo difícil y tendrás que filtrar muchas cosas desconocidas o no relacionadas, pero finalmente vale la pena el esfuerzo.
@Dilaton Hola Dilaton. TRF es un gran blog. No lo había descubierto hasta ahora. Me gusta mucho el estilo de escritura de Lubos. Veo que tú y Dimension10 también estáis allí.
@Dilaton No había descubierto Lubos hasta ahora. Su blog es increíble, wow! Me lo estoy pasando muy bien leyendo sus publicaciones. Es irónico y corrosivo (me estoy riendo a carcajadas) 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.
@EduardoGuerrasValera: ¡Gracias por tantas respuestas! Una última pequeña pregunta: dices que la DM caliente tiende a formar demasiados halos pequeños y galaxias enanas en el universo primitivo. Parece contrario a la intuición, ya que el DM caliente es rápido y, por lo tanto, se supone que es más borroso y forma estructuras en escalas grandes, en lugar de pequeñas. ¿Por qué entonces a DM caliente le gusta formar pequeños halos?
@EduardoGuerrasValera sí Lumo mola :-D! Cuando leo TRF, a menudo casi escupo mi café en mi pantalla, debido a su estilo de escritura a veces inmensamente divertido, me hace LOL regularmente :-D. ¡Y, por supuesto, aprender física genial y de vanguardia de él es muy preciado y valioso para mí también!
@Dilaton, tengo la impresión de que es un poco más cuidadoso y conservador que Ron cuando declara hechos científicos, y eso da como resultado una mayor precisión. Ron muy 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 muchos filtros.
@AlexeyBobrick No, malinterpretaste mi comentario (o no lo expliqué lo suficientemente bien). El DM caliente NO forma pequeños halos. Es COLD DM quien forma demasiados subhalos en las simulaciones. La formación de estructuras es un campo de investigación muy complejo. Las simulaciones que reproducen mejor cómo crecieron las perturbaciones de densidad en el universo primitivo hasta formar algo parecido a nuestro universo se basan hoy en día únicamente en dm fría. No puedo asegurar al 100% que no haya nadie trabajando en modelos mixtos. Pero el paradigma más aceptado hoy en día es solo la materia oscura fría, aunque todavía no es perfecto.
@EduardoGuerrasValera Me gustan los dos :-), y si Ron todavía pudiera estar entre nosotros en otro lugar, ciertas cosas probablemente serían menos desesperadas. A veces desearía tener una máquina del tiempo para deshacer ciertos eventos clave...
@Dilaton Por favor, no te pierdas esto . Probablemente te guste. Va por ti, SALUD!
@EduardoGuerrasValera gran respuesta, resume lo que siempre decía desde... ya sabes cuando :-). ¡Tendré que iniciar sesión en Navidad exclusivamente para hacer +1, si (junto con la pregunta a la que está adjunto) todavía está allí! Si aún no lo has visto, quizás también te interese ;-)
@EduardoGuerrasValera ja, acabo de ver el último párrafo que agregaste a tu respuesta: ¡exactamente al punto!
Hay algunos otros problemas además del "problema del satélite perdido", y ocurren en las regiones internas de los cúmulos y galaxias simulados. Las galaxias y los cúmulos de galaxias simulados parecen tener perfiles de densidad más pronunciados que los cúmulos observados, incluso en la simulación Bolshoi. La gente piensa que puede ser necesario simular física adicional en los centros de estos objetos, donde el contenido bariónico puede entrar en juego. Estas consideraciones pueden considerarse como correcciones físicas legítimas al paradigma dominante de cdm. Como ya mencionó @EduardoGuerrasValera, la materia oscura cálida/caliente
(continuación) acaba con las estructuras de pequeña escala, y está claro que existen.
Materia oscura cálida; en.wikipedia.org/wiki/Warm_dark_matter Esta respuesta está desactualizada y demasiado didáctica.
@RobJeffries Le invitamos a actualizarlo/mejorarlo (haga clic en Editar). O, mucho mejor, le sugiero que escriba una nueva respuesta completa.
@RobJeffries ... especialmente si se basa en un supercompañero (hasta ahora teoría completamente especulativa con cero evidencia) del gravitón (ya completamente hipotético). En un foro como este y una respuesta informal breve como esta, creo que es suficiente (o al menos didáctico ) ceñirse a lo que es más o menos convencional. Pero como se dijo, le invitamos a escribir su respuesta.
Lo que usted juzga como "convencional" no es lo que hacen los demás. La materia oscura cálida es en gran medida un área de investigación contemporánea; las reliquias térmicas y los neutrinos estériles ciertamente no son un remanso teórico. Se están proponiendo modelos de dos componentes que involucran tanto CDM como WDM para resolver una serie de problemas que enfrentan los modelos solo CDM. Ya escribo muchas respuestas en este foro. No tengo intención de responder a una que ya tiene una respuesta aceptada con muchos votos a favor, incluso si, en mi opinión, contiene un par de párrafos engañosos (3 y 4).

Esencialmente, la respuesta es la navaja de Occam : buscar la solución más simple y evitar soluciones complicadas y artificiosas , a menos que la evidencia (observacional) las 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 vendría naturalmente con una mezcla de partículas de materia oscura (con diferentes propiedades con respecto a sus implicaciones astrofísicas, es decir, frío y calor, etc., cuando no se aplica la navaja de Occam ), deberíamos esperar que solo una especie domine .

Si tal teoría no logra explicar 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.

Bueno, creo que la mayoría de las teorías naturales en realidad predecirían más de una especie. Y luego, con respecto a la navaja de Occam, tampoco se aplica aquí. Imagine las teorías "A", "B", "A+B" que dan tres predicciones diferentes y todas son viables. Entonces no está absolutamente justificado excluir "A+B" de la consideración. Sin embargo, es un punto correcto, cuantos más parámetros, más incertidumbres y ajustes.
La navaja 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 (jugando), sino una predicción de la relación entre dos especies de DM que surge naturalmente de una comprensión 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.
Sí, @Walter, "A+B" es una teoría en este mismo sentido: tan esperada como las otras dos. Para saber por qué está previsto, consultar posibles ampliaciones del modelo estándar. Para saber por qué no se usa seriamente, verifique la otra respuesta dada.
@AlexeyBobrick Entonces, ¿qué teoría contiene naturalmente dos especies diferentes (una caliente y otra fría) de partículas DM en proporciones aproximadamente 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.
Supersimetría, por ejemplo. Sin embargo, el punto clave es que las posibles extensiones no se contradigan entre sí. Según la otra respuesta: dos modelos principales motivados microscópicamente son DM frío y caliente. Las observaciones de la estructura a gran escala favorecen la DM fría, la cosmología establece límites para ambas, por lo que no hay cantidades significativas de componentes calientes. Además, el DM caliente no juega mucho papel a pequeña escala. ¿Qué crees que sería digno de mirar más aquí?
¿Podrían los votantes negativos indicar qué podría mejorar con esta respuesta y/o por qué no es útil?
@AlexeyBobrick No hay evidencia de supersimetría. AFAIK, la supersimetría no ha hecho una sola predicción falsable que luego se verificó. La supersimetría es un WOMBAT clásico (= desperdicio de dinero , cerebro y tiempo ( del contribuyente ) ) .
sí - ciertamente que sí. No se ha confirmado, solo hay alguna evidencia indirecta no sólida de observaciones / experimentos (inflación, DM, masas de neutrinos ...). Sin embargo, teóricamente se ha usado mucho, por ejemplo, en ads-cft.
Primero, estoy de acuerdo con el argumento de la navaja de afeitar de Occam. En segundo lugar, pensé que había problemas emergentes para el CDM al explicar la falta de "contusión" en los perfiles de DM deducidos de las galaxias enanas. ¿Hay algún kilometraje en un modelo DM de 2 fases para resolver esto? En tercer lugar, tenga cuidado: el término WOMBAT podría aplicarse igualmente a toda la industria de la materia oscura hasta que se detecte algo (¡aunque al menos es un modelo que hace predicciones falsificables)!
@RobJeffries gracias por tu comentario. Soy plenamente consciente de que la materia oscura sigue siendo solo una hipótesis y depende de la exactitud de GR, que a su vez no se verifica experimentalmente en las intensidades de campo relevantes (o debería decir 'debilidad'). El problema de la cuspidez no es un problema fundamental, ya que su predicción ignora los efectos bariónicos, que deben desempeñar un papel en pequeñas escalas. Además, en las escalas de los cúmulos de galaxias, las cúspides están ahí (el perfil de masa en las partes exteriores de las galaxias del cúmulo central es lo que esperamos para las partes interiores del halo del cúmulo).
@RobJeffries Estoy particularmente preocupado por el desperdicio de cerebro, del cual comparativamente poco se gasta en la 'industria' de la materia oscura.
¿Dos especies de materia oscura?
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