สสารมืดสองชนิด?

เมื่อถึงจุดนี้หลักฐานการมีอยู่ของสสารมืดได้สะสมอยู่หลายวิธี:

มันส่งผลต่อโค้งหมุนกาแลคซี
มีบทบาทสำคัญในจักรวาลวิทยาและวิวัฒนาการของโครงสร้างในจักรวาล
ถูกคาดการณ์ในปริมาณที่มากด้วยเลนส์ความโน้มถ่วงในเครื่องชั่งที่หลากหลาย
มีอิทธิพลต่อการเปลี่ยนแปลงของกระจุกกาแลคซี

เพื่อชื่อไม่กี่

มีผู้สมัครจำนวนมากที่รู้จักกันสำหรับอนุภาคสสารมืด: WIMPs , axions , WISPs , นิวตริโนและอื่น ๆ (ในความเป็นจริงแม้แต่อิฐแม้ว่าการพิจารณาอื่น ๆ

คำถามคือเหตุใดเราคาดหวังว่าอนุภาคสสารมืดเพียงประเภทเดียวที่รับผิดชอบสสารมืดปรากฏการณ์

ตัวอย่างเช่น CDM cosmology ซึ่งเป็นแบบจำลองจักรวาลวิทยามาตรฐานต้องการสสารมืดที่จะเย็น (ช้าไม่สัมพันธ์) ซึ่งใช้เพื่อ จำกัด คุณสมบัติที่เป็นไปได้ของอนุภาคสสารมืด อย่างไรก็ตามสิ่งนี้ไม่ได้หมายความว่าสสารมืดนั้นเย็นสำหรับระบบฟิสิกส์ดาราศาสตร์ทั้งหมด ยกตัวอย่างเช่นรัศมีกาแลคซีอาจทำจากสสารมืดที่อบอุ่นและรัศมีของกาแลคซีแคระอาจทำจากสสารมืดเย็น $\Lambda$

แน่นอนว่าเราอาจกล่าวได้ว่าแบบจำลองชนิดเดียวเป็นแบบที่ง่ายที่สุด ข้อโต้แย้งโต้แย้งว่าในความเป็นจริงอาจมีหลายสายพันธุ์ สิ่งนี้ในทางกลับกันอาจมีความหมายที่ลึกซึ้งสำหรับแบบจำลองทางดาราศาสตร์

เพื่อสรุปคำถาม: มีเหตุผลที่ดีที่ควรได้รับการสนับสนุนโดยการสังเกตหรือไม่คิดว่ามีสสารมืดเพียงชนิดเดียวในทุกรุ่นที่มีอยู่ในปัจจุบัน?

— Alexey Bobrick
แหล่งที่มา

เป็นคำถามที่ดีมาก!

— Dilaton

สองสิ่ง ปรีชาคืออะไรและคุณหมายถึงอะไรโดย 'อิฐ'? นอกจากนี้คำว่า 'เย็น' ในสสารมืดเย็นหมายความว่าในเวลาที่สสารมืดแยกตัวมันเป็นความสัมพันธ์ที่ไม่สัมพันธ์กัน (ช้ากว่าเมื่อเปรียบเทียบกับความเร็วของแสง) LCDM ทำนายโครงสร้างที่ดีมากในเครื่องชั่งขนาดใหญ่มันไม่ตรงกันกับเครื่องชั่งขนาดเล็กที่กระตุ้นให้ผู้คนนึกถึงสิ่งต่าง ๆ เช่นสสารมืด / ร้อนที่ร้อนแรงเนื่องจากสิ่งที่อบอุ่นมีโครงสร้างน้อยกว่าเครื่องชั่งขนาดเล็ก

— astromax

ฉันคิดว่านี่เป็นคำถามที่ดี มีความเป็นไปได้ค่อนข้างมากที่องค์ประกอบสสารมืดในจักรวาลเป็นอนุภาคขนาดใหญ่มากกว่าหนึ่งชนิดบางทีอาจเป็นอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์อย่างอ่อนแรงและไม่มี การเพิ่มแรงที่อนุภาคสามารถโต้ตอบผ่านจะเพิ่มช่องทางเพิ่มเติมสำหรับการถ่ายโอนพลังงานเข้าและออกจากส่วนประกอบเหล่านี้ สสารมืดนั้นเป็นหนึ่งใน 'สปีชีส์' ของอนุภาคเป็นสิ่งที่คิดว่าเป็นธรรมชาติที่สุด

— astromax

@astromax ขอบคุณสำหรับการป้อนข้อมูลของคุณ! ยกตัวอย่างเช่น WISP ย่อมาจาก Weakly Interacting Sub-eV Particles เช่น axions อิฐเป็นเรื่องตลกมากกว่า อย่างไรก็ตามถ้าคุณมีวัตถุที่มีน้ำหนักเท่าอิฐธรรมดาระยะห่างที่เหมาะสมพวกมันจะทำตัวแบบสสารมืดหรือมืดมากขึ้นแบบไดนามิก (ไม่มีแรงยกเว้นแรงโน้มถ่วง) จากนั้น "เย็น (ช้า)" หมายถึงความเร็วที่ไม่สัมพันธ์แม้ว่าฉันจะเพิ่มมันเพื่อความชัดเจน

— Alexey Bobrick

@astromax ขอบคุณสำหรับการชี้ตาชั่งด้วย ฉันคิดว่าสสารมืดซึ่งไม่เย็นโครงสร้างขนาดใหญ่จะดูเบลอมากกว่าที่เป็นดังนั้นจึงสรุปได้ว่ามันมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับโครงสร้างขนาดเล็กที่สสารมืดเย็นและน้อยกว่ามาก โครงสร้าง คุณสามารถแสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับความแตกต่างที่มาจากไหน? มิฉะนั้นความคิดของคุณดูสมเหตุสมผล ฉันยินดีเป็นอย่างยิ่งที่ได้เห็นพวกเขาในรูปแบบที่ละเอียดยิ่งขึ้นอีกเล็กน้อยเพื่อเป็นคำตอบ

— Alexey Bobrick

คำตอบ:

สสารมืดร้อนจะทำจากอนุภาคที่มีแสงมากและเคลื่อนที่เร็ว อนุภาคดังกล่าวอาจไม่สามารถผูกกับแรงโน้มถ่วงกับโครงสร้างใด ๆ แต่จะกระจายไปทั่วทั้งจักรวาล

แต่สสารมืดอยู่เสมอ "พบ" (หรือ "สรุป") ทั้งแรงโน้มถ่วงผูกไว้กับโครงสร้างที่มองเห็นได้ (เช่นการตรวจจับเลนส์ที่อ่อนแอของความมืดที่เกี่ยวข้องว่ามีชนกลุ่มกาแลคซี / แบนโค้งหมุนของกาแลคซีเกลียว / ความผิดปกติของการกระจายตัวของความเร็วในกลุ่มกาแลคซี ) หรือ ไม่เกี่ยวข้องกับสิ่งใดที่มองเห็นได้ แต่ยังก่อตัวเป็นก้อน (การตรวจจับเลนส์แบบอ่อนของกระจุกกาแลคซีที่มองไม่เห็นก่อนหน้านี้ ) นั่นคือเหตุผลที่สสารมืดคิดว่าจะเป็นเย็น

นอกจากนี้ยังมีความแตกต่างที่ชัดเจนระหว่างทั้งสองประเภท: ไม่มีสิ่งเช่นสสารมืดที่ "ไม่เย็นเกินไป แต่ไม่ร้อนเกินไป" (ดูเชิงอรรถด้วย) สสารมืดนั้นทำมาจากอนุภาคที่มีค่าน้อยกว่า ~ 10 eV (สสารมืดร้อนทำจากอนุภาคแสงส่วนใหญ่จะกระจายไปทุกที่) หรืออนุภาคที่มีมากกว่า ~ 2 GeV (อนุภาคที่หนักกว่าและช้ากว่า พบข้อ จำกัด ทั้งสองเมื่อกำหนดจำนวนสูงสุดที่อนุภาคของผู้สมัคร (นิวตริโนหรือสิ่งแปลกใหม่) สามารถนำไปสู่ค่าที่แท้จริงของพารามิเตอร์ความหนาแน่นเนื่องจากสสารในจักรวาลที่ขยายตัวของเรา

ดังนั้นทั้ง DM จะปรากฏขึ้นตามแรงโน้มถ่วง (cold DM) หรือกระจาย (DM ร้อน) และทั้งสองประเภทนั้นแตกต่างกันอย่างชัดเจน (10 EV เทียบกับ 2 Gev) การสังเกตุเห็นได้ว่าเป็นกรณีแรก อย่างไรก็ตาม Cold Dark Matter ไม่ใช่ทางออกที่ดีที่สุดและยังคงเผชิญกับปัญหาบางอย่าง

เกี่ยวกับความเป็นไปได้ของการแก้ปัญหาแบบผสมหลายคนได้ถูกตัดออกไปแล้ว microlensing มีการปกครองออกเป็นไปได้ของวัตถุที่มองไม่เห็น (compact ดาวแคระน้ำตาลดาวดาราหลุมดำ) ในรัศมีกาแล็คซี่ในเขตกาแล็คซี่ของเราเช่นเดียวกับในโดเมนกาแล็กซี ไม่สามารถเป็นวัตถุธรรมดา (ก้อนหินอิฐฝุ่น) มิฉะนั้นพวกมันจะร้อนและแผ่รังสีออกมาอีกครั้ง ส่วนผสมที่แปลกใหม่ของอนุภาคที่รู้จักไม่ได้ผล

ทั้งหมดที่เราคิดว่าเรารู้คือ DM นั้นต้องทำจากอนุภาคขนาดใหญ่ที่ยังไม่ถูกค้นพบ เพื่อที่จะนำเสนอแบบจำลองที่ซับซ้อนมากขึ้น (เช่นชนิดของอนุภาคที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับโครงสร้างที่แนบมากับ) เราจำเป็นต้องมีเหตุผล (เช่นการคาดการณ์บางอย่างที่เห็นด้วยกับความเป็นจริง) และไม่มีใครสามารถทำได้

หมายเหตุโปรดทราบว่าอนุภาคของ Dark Matter ไม่ว่าจะมาจากความร้อนหรือความเย็นไม่สามารถ "ชะลอ" และกอมากเกินไป (เช่นการก่อตัวดาวเคราะห์) เพราะพวกมันไม่ได้มีปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าเหมือนกับวัตถุทั่วไปนั่นคือเหตุผลที่ DM ถูกกล่าวว่าเป็นcollisionless เมื่อใดก็ตามที่การปลอมแปลงสารธรรมดาในรูปแบบโครงสร้างใด ๆ (เช่นโพรโทสตาร์หรือดิสก์สะสมมวลสาร ) ส่วนที่สำคัญมากของกระบวนการนี้ก็คือการระบายความร้อนเช่นการกระจายพลังงานของอนุภาคที่ตกกระทบโดยการชนหลายครั้ง สิ่งนี้ไม่สามารถเกิดขึ้นได้กับ Dark Matter

— Eduardo Guerras Valera
แหล่งที่มา

คำตอบที่ดีมาก :-) บางทีสิ่งต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับอนุภาคสสารมืดจำนวนมากที่อาจจะได้รับการชี้แจงในเร็ว ๆ นี้ ... แม้ว่าโดยส่วนตัวแล้วฉันค่อนข้างคาดหวังผลที่ไม่ดีอีกประการหนึ่งและสื่อขนาดใหญ่ที่ทำเกี่ยวกับเรื่องนี้ ผู้ผลิตเพื่อยกเลิกการศึกษาสสารมืดทดลองในฐานะผู้แสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับ TRF กล่าวว่า ... : - /

— Dilaton

@Dilaton เฮ้ Dilaton TRF เป็นบล็อกที่ยอดเยี่ยม ฉันไม่ได้ค้นพบมันจนกระทั่งตอนนี้ ฉันชอบสไตล์การเขียนของ Lubos มาก ฉันเห็นคุณและ Dimension10 อยู่ที่นั่นด้วย

— Eduardo Guerras Valera

@Dilaton ฉันไม่ได้ค้นพบ Lubos จนกระทั่งตอนนี้ บล็อกของเขาเหลือเชื่อมากว้าว! ฉันมีความสุขจริงๆที่ได้อ่านโพสต์ของเขา เขาเป็นคนที่น่าขันและกัดกร่อน (ฉันหัวเราะเหมือนนรก) และดูเหมือนแม่นยำมาก (อย่างน้อยก็อนุรักษ์นิยมเพราะสิ่งของส่วนใหญ่เป็นของใหม่สำหรับฉัน) ในการอ้างสิทธิ์ทางวิทยาศาสตร์ของเขา เขามีสไตล์ที่แตกต่างจากรอน แต่ก็เป็นอีก "ต้อง" ฉันไม่ได้ให้ความสนใจกับ TRF จนกว่าคุณจะโพสต์ลิงก์นั้น

— Eduardo Guerras Valera

@EduardoGuerrasValera ใช่หิน Lumo :-D! เมื่ออ่าน TRF ฉันมักจะคายกาแฟที่หน้าจอของฉันเพราะในบางครั้งสไตล์การเขียนที่ตลกมากเขาทำให้ฉันเป็นประจำ :-D และแน่นอนว่าการเรียนวิชาฟิสิกส์ที่ล้ำสมัยจากเขาก็เป็นสิ่งที่มีค่าและมีค่าสำหรับฉันเช่นกัน!

— Dilaton

@Dilaton ฉันมีความรู้สึกว่าเขาเป็นคนที่ระมัดระวังและอนุรักษ์นิยมมากกว่านี้เมื่อพูดถึงข้อเท็จจริงทางวิทยาศาสตร์มากกว่า Ron และนั่นก็ทำให้เกิดความแม่นยำมากขึ้น รอนมักจะกล้าเข้ามาในดินแดนที่ไม่รู้จักมีความมั่นใจเกี่ยวกับความรู้และสติปัญญาของเขาและจากนั้นเขาก็จบลงด้วยการทำประโยคที่เป็นบทสรุปของเขาสดใหม่และน่าทึ่ง แต่ไม่มีการกรอง

— Eduardo Guerras Valera

เป็นหลักคำตอบคือสาธารณรัฐโคลัมเบีย : มองหาทางออกที่ง่ายที่สุดและหลีกเลี่ยงความซับซ้อนและการวางแผนการแก้ปัญหาเว้นแต่ (เชิง) หลักฐานที่พวกเขาต้องการ ใช่เป็นไปได้ว่ามีอนุภาคสสารมืดสองชนิดขึ้นไป แต่การแก้ปัญหาใด ๆ ที่ไม่ใช่สปีชีส์หนึ่ง ๆ นั้นต้องการการปรับแต่งอย่างละเอียด ดังนั้นหากไม่มีทฤษฎีที่จะมาพร้อมกับอนุภาคของสสารมืดโดยธรรมชาติ (มีคุณสมบัติแตกต่างกันเกี่ยวกับผลกระทบทางดาราศาสตร์ของพวกเขาเช่นร้อนและเย็นเป็นต้นเมื่อมีดโกนของ Occam ไม่ได้ใช้ ) เราควรคาดหวังเพียงชนิดเดียวที่จะครอง .

หากทฤษฎีดังกล่าวล้มเหลวในการอธิบายหลักฐานเพียงอย่างเดียวมันก็สมเหตุสมผลแล้วที่จะไปสู่แบบจำลองที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นที่มีอนุภาคสสารมืดมากกว่าหนึ่งประเภท ปัจจุบันเราไม่ได้อยู่ในขั้นตอนนั้น

— วอลเตอร์
แหล่งที่มา

ฉันคิดว่าทฤษฎีธรรมชาติส่วนใหญ่จริง ๆ แล้วจะทำนายมากกว่าหนึ่งชนิด และจากนั้นเกี่ยวกับมีดโกนของอ็อกคัมมันก็ไม่ได้ใช้ที่นี่ ลองจินตนาการถึงทฤษฎี "A", "B", "A + B" ซึ่งให้การคาดการณ์สามแบบที่แตกต่างกันและเป็นไปได้ทั้งหมด ดังนั้นจึงไม่มีเหตุผลที่จะยกเว้น "A + B" อย่างไม่เหมาะสม อย่างไรก็ตามมันเป็นจุดที่ถูกต้องยิ่งมีพารามิเตอร์มาก - ยิ่งมีความไม่แน่นอนและการปรับละเอียดมากขึ้น

— Alexey Bobrick

@AlexeyBobrick Occam มีดโกนบอกว่าเราไม่ควรเริ่มเล่นด้วยประเภทอนุภาค DM มากกว่าหนึ่งประเภทยกเว้นว่ามีหลักฐานที่น่าเชื่อถือหรือทฤษฎีที่ตรงกันข้าม ที่นี่ทฤษฎีไม่ได้เป็นเพียงแบบจำลองที่เรียบง่าย แต่เป็นการทำนายความสัมพันธ์ระหว่างสัตว์สองชนิดที่เกิดขึ้นจากความเข้าใจที่ลึกซึ้ง ดังนั้นหาก "A + B" ของคุณเป็นทฤษฎีในแง่นี้มีดโกนของ Occam จะไม่มีผล อย่างไรก็ตาม AFAIK ไม่มีทฤษฎี DM ดังกล่าวที่มีมากกว่าหนึ่งสปีชีส์ได้รับการพิจารณาอย่างจริงจัง

— วอลเตอร์

ใช่ @Walter "A + B" เป็นทฤษฎีในแง่นี้: ตามที่คาดไว้อีกสองอย่าง สำหรับสาเหตุที่ทำให้เกิดข้อผิดพลาดให้ตรวจสอบส่วนขยายที่เป็นไปได้ของรุ่นมาตรฐาน สำหรับสาเหตุที่ไม่ได้ใช้อย่างจริงจังให้ตรวจสอบคำตอบอื่น ๆ

— Alexey Bobrick

@AlexeyBobrick ดังนั้นทฤษฎีใดที่มีอนุภาค DM ชนิดต่างกัน (ชนิดหนึ่งร้อนและเย็น) ในสัดส่วนที่เท่า ๆ กัน (โดยที่ไม่มีใครครอบงำ) คำตอบอื่น ๆ ไม่ได้อธิบายว่าทำไมทฤษฎีดังกล่าวจึงไม่ได้รับการพิจารณาอย่างจริงจัง AFAIK ส่วนผสมของอนุภาคร้อนและเย็นไม่สามารถตัดออกได้ในขณะนี้ แต่มีการใช้มีดโกนของ Occam

— วอลเตอร์

ตัวอย่างเช่น Supersymmetry อย่างไรก็ตามจุดสำคัญคือส่วนขยายที่เป็นไปได้ไม่ได้ขัดแย้งกัน ตามคำตอบอื่น ๆ : สองรุ่นหลักแรงบันดาลใจด้วยกล้องจุลทรรศน์เป็น DM ร้อนและเย็น การสังเกตโครงสร้างขนาดใหญ่ชอบ DM เย็นจักรวาลวิทยาให้ข้อ จำกัด กับทั้งสองดังนั้นจึงไม่มีองค์ประกอบร้อนจำนวนมาก Plus hot DM ไม่ได้มีบทบาทมากในเครื่องชั่งขนาดเล็ก คุณคิดว่าอะไรที่ควรค่าแก่การดูเพิ่มเติมที่นี่

— Alexey Bobrick