두 종류의 암흑 물질?

이 시점에서 암흑 물질의 존재에 대한 증거는 여러 가지 방법으로 축적되었습니다.

은하 회전 곡선에 영향을 미칩니다
우주론에서 중요한 역할을하고 우주에서 구조의 진화
넓은 범위의 중력 렌즈로 많은 양으로 예측됩니다.
은하단의 역학에 영향을 미침

몇 가지를 말하면

암흑 물질 입자에는 WIMP , 액시온 , WISP , 중성미자 등 여러 가지 알려진 후보가 있습니다 (실제로 다른 고려 사항에서는 제외).

그렇다면 우리 는 왜 한 가지 유형의 암흑 물질 입자 만 현상 학적 암흑 물질을 책임질 것으로 기대 하는가?

예를 들어 표준 우주론 모델 인 CDM 우주론은 암흑 물질이 차갑고 (비 상대 론적) 암흑 물질 입자의 가능한 특성을 제한하는 데 사용되어야합니다. 그러나 이것은 암흑 물질이 모든 천체 물리학 시스템에 대해 차갑다는 것을 실제로 암시하지는 않습니다. 예를 들어, 은하 후광은 따뜻한 암흑 물질로 만들어 질 수 있고, 왜소 은하의 후광은 차가운 암흑 물질로 만들어 질 수있다. $\Lambda$

물론 일 종 모델이 가장 간단한 모델이라고 말할 수 있습니다. 반론은 실제로 많은 종들이있을 수 있다는 것이다. 이것은 천체 물리학 적 모형에 중대한 영향을 미칠 수있다.

질문을 요약하려면 : 현재 사용중인 모든 모델에 한 가지 종류의 암흑 물질 만 존재한다고 생각할만한 이유가 있습니까?

— 알렉세이 밥릭
소스

아주 좋은 질문입니다!

— Dilaton

몇 가지. WISP 란 무엇이며 '브릭'은 무엇을 의미합니까? 또한 차가운 암흑 물질에서 '차가운'이라는 단어는 암흑 물질이 분리되었을 때 비 상대 론적 (빛의 속도에 비해 느림)임을 의미합니다. LCDM은 대규모 구조에서 매우 우수한 구조를 예측합니다. 소규모에서는 불일치하므로 따뜻한 물체는 작은 규모의 구조가 적기 때문에 따뜻하고 뜨거운 암흑 물질과 같은 것을 생각하게합니다.

— astromax

나는 이것이 좋은 질문이라고 생각합니다. 우주에 대한 암흑 물질 성분이 실제로 하나 이상의 거대한 입자 유형, 아마도 약하게 상호 작용하는 입자 일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있습니다. 입자가 상호 작용할 수있는 힘을 추가하면 이러한 구성 요소 내외부로의 에너지 전달을위한 추가 수단이 추가됩니다. 암흑 물질은 입자의 '종'중 하나는 가장 먼저 생각해야 할 가장 자연스러운 것입니다.

— astromax

@astromax, 입력 해 주셔서 감사합니다! 예를 들어 Wiki에 따르면 WISP는 액시온과 같은 약한 상호 작용 Sub-eV 입자를 의미합니다. 벽돌은 농담입니다. 그러나 일반 벽돌과 같이 무게가 적당하고 간격이있는 물체가 있으면 암흑 물질과 거의 비슷하게 동적으로 동작합니다 (중력 이외의 힘은 없음). 그런 다음 "차가운 (느린)"은 비 상대적인 속도를 의미하지만 명확성을 위해 추가 할 것입니다.

— Alexey Bobrick 18

@astromax, 저울을 지적 해 주셔서 감사합니다. 나는 차갑지 않은 암흑 물질, 대규모 구조물이 원래보다 훨씬 더 흐릿하게 보일 것이므로 실제로 암흑 물질이 차갑고 작은 물질에는 더 중요하다고 결론을 내렸다. 구조. 불일치가 어디에서 발생했는지에 대해 언급 할 수 있습니까? 그렇지 않으면 아이디어가 합리적으로 보입니다. 나는 그것들을 좀 더 정교한 형태로 대답으로 보는 것을 기쁘게 생각합니다.

— Alexey Bobrick

답변:

뜨거운 암흑 물질은 매우 가볍고 빠르게 움직이는 입자로 만들어집니다. 그러한 입자들은 어떤 구조에도 중력 적으로 결합 할 수 없었을뿐 아니라 우주 전체에 분산되어있을 것입니다.

그러나 암흑 물질은 어떤 가시적 구조에 중력 적으로 결합되어있는 "발견"(또는 "추론")됩니다 (예 : 은하단 충돌 과 관련된 암흑 물질의 약한 렌즈 감지 / 나선 은하의 평평한 회전 곡선 / 은하단 에서의 비정상적인 속도 분산 ) 또는 보이는 것과는 관련이 없지만 그럼에도 불구하고 덩어리를 형성 합니다 (이전에 보이지 않은 은하단의 약한 렌즈 감지 ). 그렇기 때문에 암흑 물질이 차갑다 고 생각됩니다 .

또한 두 가지 유형 사이에는 분명한 차이가 있습니다. "너무 춥지는 않지만 너무 뜨겁지 않은"암흑 물질도 없습니다 (각주 참조). 암흑 물질은 ~ 10 eV 미만의 입자 (주로 사방에 분산 된 가벼운 입자로 만든 뜨거운 암흑 물질) 또는 ~ 2 GeV 이상의 입자 (일부 구조물에 중력, 저속 입자가 중력 결합)로 만들어집니다. 후보 입자 (뉴트리노 또는 다른 것)가 확장 우주의 물질로 인해 밀도 매개 변수의 실제 값에 기여할 수있는 최대량을 부과 할 때 두 한계가 모두 발견됩니다 .

따라서, DM은 중력 결합 (cold DM) 또는 분산 된 (hot DM)으로 보이며, 두 유형 모두 명확하게 구별됩니다 (10ev vs 2Gev). 관찰은 첫 번째 경우를 선호합니다. 그러나 Cold Dark Matter는 최고의 솔루션이 아니며 여전히 몇 가지 문제에 직면 해 있습니다.

혼합 솔루션의 가능성과 관련하여 많은 솔루션이 이미 제외되었습니다. Microlensing는 은하의 후광에 보이지 않는 컴팩트 한 객체 (갈색 왜성, 별, 별의 블랙홀)의 가능성을 배제하고있다 우리 은하의 이웃 뿐만 아니라 외은 위와 외 도메인에 . 평범한 물질 (돌, 벽돌, 먼지)은있을 수 없으며, 그렇지 않으면 뜨거워지고 재 방사됩니다. 알려진 입자의 이국적인 혼합은 작동하지 않습니다.

우리가 아는 것은 DM이 아직 발견되지 않은 무거운 입자로 이루어져야한다는 것입니다. 더 복잡한 모델 (예 : 부착 된 구조에 따라 다른 유형의 입자)을 도입하기 위해서는 정당화 (즉, 현실에 더 잘 맞는 일부 예측)가 필요하며 아직 아무도 그렇게 할 수 없었습니다.

비고 Hot 또는 Cold 유형의 Dark Matter 입자는 일반적인 물질처럼 전자 기적으로 상호 작용하지 않기 때문에 "느리게"되거나 너무 많이 덩어리 질 수 없습니다 (예 : 행성 형성). 무 충돌 . 일반적인 물질이 임의의 구조 (예 : 원형 또는 축적 디스크 )를 형성하는 경우, 프로세스의 매우 중요한 부분은 열화 , 즉 수많은 충돌을 통해 유입되는 입자의 에너지 재분배입니다. 이것은 암흑 물질에서는 일어날 수 없습니다.

— 에두아르도 구에 라스 발레라
소스

아주 좋은 답변 :-). 어쩌면 암흑 물질 입자의 잠재적 질량에 관한 것들이 곧 밝혀 질 것입니다 ... 개인적으로 나는 다른 null 결과를 기대하지만이 LUX 암흑 물질 결과에 대해 만들어진 거대한 미디어 브림 보 리움은 미국 결정의 변명으로 오용 될 것입니다 TRF에 대한 논평자가 말한 것처럼 일부 암흑 물질 연구를 취소하는 제조사들은 ... :-/

— Dilaton

@Dilaton 안녕하세요 Dilaton. TRF는 훌륭한 블로그입니다. 나는 지금까지 그것을 발견하지 못했습니다. 나는 루 보스의 글쓰기 스타일을 많이 좋아합니다. 당신과 Dimension10도 있습니다.

— Eduardo Guerras Valera

@Dilaton 나는 지금까지 Lubos를 발견하지 못했습니다. 그의 블로그는 믿어지지 않는다! 나는 그의 게시물을 읽는 데 정말 좋은 시간을 보내고 있습니다. 그는 아이러니하고 부식 적이며 (지옥처럼 웃고있다) 과학적 주장에서 매우 정확합니다 (적어도 보수적입니다. 그는 Ron과 다른 스타일을 가지고 있지만 또 다른 "필수"입니다. 해당 링크를 게시 할 때까지 TRF에주의를 기울이지 않았습니다.

— Eduardo Guerras Valera

@EduardoGuerrasValera 네 루모 바위 :-D! TRF를 읽을 때 나는 종종 그의 화면에 커피를 뱉어 냈습니다. 그의 때로는 재미있는 스타일의 글씨 때문에 그는 저를 LOL로 정기적으로 만듭니다 :-D. 물론 그에게서 멋진 물리학을 배우는 것도 나에게 매우 소중하고 귀중합니다!

— Dilaton

@Dilaton, 나는 Ron보다 과학적 사실을 진술 할 때 조금 더 신중하고 보수적이라는 인상을 받았습니다. Ron은 종종 자신의 지식과 지능에 대해 확신을 가지고 미지의 영역에 도전하며, 신선하고 일반적으로 놀랍지 만 많은 필터링없이 자신의 결론에 대한 진술을 마칩니다.

— Eduardo Guerras Valera

본질적으로 답은 Occam의 면도기입니다 . (관측적인) 증거가 요구 하지 않는 한 가장 간단한 해결책을 찾고 복잡 하고 고안된 해결책을 피하십시오 . 네, 두 종류 이상의 암흑 물질 입자가 존재할 수 있습니다. 그러나 한 종이 지배적이지 않은 솔루션은 미세 조정이 필요하므로 바람직하지 않습니다. 따라서 자연적 으로 암흑 물질 입자가 혼합 된 이론이 없다면 ( Occam의 면도기가 적용되지 않을 때 천체 물리적 의미, 즉 냉온 등의 특성이 다른) 이론이 없다면 한 종만이 지배 할 것으로 기대해야합니다. .

그러한 이론이 증거를 설명하지 못하면, 두 가지 이상의 암흑 물질 입자가있는 더 복잡한 모델로 이동하는 것이 합리적입니다. 현재 우리는 그 단계에 있지 않습니다.

— 월터
소스

글쎄요, 대부분의 자연 이론은 실제로 하나 이상의 종을 예측할 것이라고 생각합니다. 그리고 Occam의 면도칼에 관해서는 여기에도 적용되지 않습니다. "A", "B", "A + B"이론이 서로 다른 세 가지 예측을 제공하고 모두 실행 가능하다고 상상해보십시오. 따라서 "A + B"를 고려하지 않는 것이 절대로 정당화되지 않습니다. 그러나, 정확한 포인트, 더 많은 매개 변수-더 많은 불확실성 및 미세 조정.

— Alexey Bobrick

@AlexeyBobrick Occam의 면도기는 독립적 인 증거 나 이론이 설득력이 없다면 , 하나 이상의 다른 DM 입자 유형을 가지고 놀아서는 안된다고 말합니다 . 여기서 이론은 단순한 모델 일뿐 아니라, 더 깊은 통찰력에서 자연스럽게 나오는 두 개의 DM 종 간의 관계에 대한 예측 입니다. 당신의 "A + B"가 이런 의미에서 이론이라면, Occam의 면도기는 적용되지 않습니다. 그러나 AFAIK는 하나 이상의 종을 가진 그러한 DM 이론이 현재 심각하게 고려되지 않았습니다.

— Walter

예, @Walter, "A + B"는이 두 가지 의미에서 이론입니다. 그것이 실행되는 이유에 대해서는 표준 모델의 가능한 확장을 확인하십시오. 심각하게 사용되지 않는 이유는 다른 답변을 확인하십시오.

— Alexey Bobrick

@AlexeyBobrick 그렇다면 어떤 이론이 자연적으로 두 개의 다른 (하나는 뜨겁고 하나는 차가운) 종의 DM 입자가 거의 같은 비율로 포함되어 있습니까 (따라서 어느 쪽도 지배하지 않음)? 다른 대답은 왜 그러한 이론들이 심각하게 고려 되지 않는지를 설명 하지 않습니다 . 핫 입자와 콜드 입자가 혼합 된 입자 인 AFAIK는 현재 배제 할 수 없지만 Occam의 면도기가 사용됩니다.

— Walter

예를 들어 초대칭. 그러나 핵심은 가능한 확장이 서로 모순되지 않는다는 것입니다. 다른 답변에 따르면, 두 가지 주요한 동기 부동 모델은 뜨겁고 차가운 DM입니다. 대규모 구조의 관찰은 차가운 DM을 선호하고 우주론은 두 가지 모두에 한계를 제공하므로 상당한 양의 뜨거운 성분이 없습니다. 또한 핫 DM은 소규모에서 큰 역할을하지 않습니다. 여기서 더 살펴볼만한 가치가 있다고 생각하십니까?

— Alexey Bobrick