Zwei Arten dunkler Materie?

Zu diesem Zeitpunkt haben sich in vielerlei Hinsicht Beweise für die Existenz dunkler Materie angesammelt:

• Es beeinflusst die galaktischen Rotationskurven
• spielt eine wichtige Rolle in der Kosmologie und der Entwicklung der Struktur im Universum
• wird in großen Mengen durch Gravitationslinsen auf einer Vielzahl von Skalen vorhergesagt
• beeinflusst die Dynamik von Galaxienhaufen

um ein paar zu nennen.

Es gibt viele bekannte Kandidaten für Teilchen der dunklen Materie: WIMPs , Axionen , WISPs , Neutrinos usw. (in der Tat sogar Steine, obwohl einige andere Überlegungen sie ausschließen würden).

Die Frage ist dann : Warum erwarten wir, dass nur eine Art von Partikeln der dunklen Materie für die phänomenologische dunkle Materie verantwortlich ist?

Zum Beispiel erfordert die CDM-Kosmologie, das kosmologische Standardmodell, dass dunkle Materie kalt (langsam, nicht relativistisch) ist, was verwendet wird, um die möglichen Eigenschaften von Partikeln der dunklen Materie einzuschränken. Dies bedeutet jedoch nicht, dass dunkle Materie für alle astrophysikalischen Systeme kalt ist. Galaktische Lichthöfe könnten beispielsweise aus warmer dunkler Materie bestehen, und Lichthöfe von Zwerggalaxien könnten aus kalter dunkler Materie bestehen.$\Lambda$

Man könnte natürlich sagen, dass das Modell mit einer Art das einfachste ist. Das Gegenargument wäre, dass es in der Realität durchaus viele Arten geben kann. Dies könnte wiederum tiefgreifende Auswirkungen auf astrophysikalische Modelle haben.

Um die Frage zusammenzufassen: Gibt es einen guten Grund zu der Annahme, dass in allen derzeit verwendeten Modellen nur eine Art dunkler Materie vorhanden ist, was vorzugsweise durch Beobachtungen gestützt wird?

Heiße dunkle Materie würde aus sehr leichten, sich schnell bewegenden Partikeln bestehen. Solche Teilchen könnten möglicherweise nicht durch Gravitation an irgendeine Struktur gebunden sein, sondern würden im gesamten Universum verteilt sein.

Dunkle Materie wird jedoch immer "gefunden" (oder "abgeleitet"), entweder gravitativ an eine sichtbare Struktur gebunden (z. B. schwache Linsenerkennung von dunkler Materie in Verbindung mit kollidierenden Galaxienhaufen / flachen Rotationskurven von Spiralgalaxien / abnorme Geschwindigkeitsdispersion in Galaxienhaufen ) oder nicht mit etwas Sichtbarem verbunden, aber dennoch verklumpend (schwache Linsenerkennung von bisher nicht sichtbaren Galaxienhaufen ). Deshalb wird angenommen, dass dunkle Materie kalt ist .

Darüber hinaus gibt es einen klaren Unterschied zwischen beiden Typen: Es gibt keine dunkle Materie, die "nicht zu kalt, aber auch nicht zu heiß" ist (siehe auch Fußnote). Dunkle Materie besteht entweder aus Partikeln mit weniger als ~ 10 eV (heiße dunkle Materie aus hellen Partikeln, die meist überall verteilt sind) oder Partikeln mit mehr als ~ 2 GeV (schwerere, langsamere Partikel, die durch die Gravitation an eine bestimmte Struktur gebunden sind). Beide Grenzen werden gefunden, wenn die maximale Menge festgelegt wird, in der die Kandidatenpartikel (Neutrinos oder etwas Exotischeres) möglicherweise aufgrund von Materie in unserem expandierenden Universum zum tatsächlichen Wert des Dichteparameters beitragen können.

Somit scheint entweder DM gravitationsgebunden (kaltes DM) oder dispergiert (heißes DM) zu sein, und beide Typen unterscheiden sich deutlich (10 EV vs. 2 Gev). Beobachtungen sprechen für den ersten Fall. Cold Dark Matter ist jedoch nicht die ultimative Lösung und steht immer noch vor einigen Problemen.

In Bezug auf die Möglichkeit gemischter Lösungen wurden viele von ihnen bereits ausgeschlossen. Mikrolinsen haben die Möglichkeit von unsichtbaren kompakten Objekten (Braune Zwerge, Sterne, stellare Schwarze Löcher) in galaktischen Lichthöfen, in unserer galaktischen Nachbarschaft sowie im extragalaktischen Bereich ausgeschlossen . Gewöhnliche Stoffe (Steine, Ziegel, Staub) können unmöglich sein, da sie sonst heiß werden und erneut strahlen würden. Jede exotische Mischung bekannter Partikel funktioniert nicht.

Wir glauben nur zu wissen, dass DM aus einigen schweren Partikeln bestehen muss, die noch entdeckt werden müssen. Um ein komplexeres Modell einzuführen (z. B. unterschiedliche Arten von Partikeln in Abhängigkeit von der Struktur, an die sie gebunden zu sein scheinen), ist eine Begründung erforderlich (dh einige Vorhersagen, die besser mit der Realität übereinstimmen), und niemand war bisher in der Lage, dies zu tun.

Bemerkung Beachten Sie, dass Partikel der Dunklen Materie, entweder vom heißen oder vom kalten Typ, möglicherweise nicht "verlangsamen" und zu stark verklumpen können (z. B. Planeten bilden), weil sie nicht wie gewöhnliche Materie elektromagnetisch wechselwirken, weshalb DM genannt wird kollisionsfrei . Überall dort, wo Infalling gewöhnliche Materie eine Struktur bildet (z. B. Protosterne oder Akkretionsscheiben ), ist die Thermalisierung , dh die Umverteilung der Energie der Infalling-Partikel durch zahlreiche Stöße , ein sehr wichtiger Teil des Prozesses . Dies kann mit Dunkler Materie nicht passieren.

Im Wesentlichen ist die Antwort Ockhams Rasiermesser : Look für die einfachste Lösung und vermeiden kompliziert und gekünstelt Lösungen, es sei denn , (Beobachtungs) sie Beweise erfordert . Ja, es ist möglich, dass zwei oder mehr Arten von Partikeln der Dunklen Materie existieren. Aber alle Lösungen, bei denen nicht eine Spezies dominiert, erfordern eine Feinabstimmung und sind daher ungünstig. Wenn es also keine Theorie gibt, die von Natur aus eine Mischung aus Partikeln der dunklen Materie enthält (mit unterschiedlichen Eigenschaften in Bezug auf ihre astrophysikalischen Auswirkungen, dh heiß und kalt usw., wenn Occams Rasiermesser nicht anwendbar ist ), sollten wir davon ausgehen, dass nur eine Spezies dominiert .

Wenn eine solche Theorie die Beweise nicht erklärt, ist es nur dann sinnvoll, zu einem komplizierteren Modell mit mehr als einer Art von Partikeln der dunklen Materie zu gehen. Derzeit sind wir nicht in dieser Phase.