Hai loài vật chất tối?

Tại thời điểm này, bằng chứng cho sự tồn tại của vật chất tối đã tích lũy theo nhiều cách:

• nó ảnh hưởng đến các đường cong xoay của thiên hà
• đóng một vai trò quan trọng trong vũ trụ học và sự phát triển của cấu trúc trong vũ trụ
• được dự đoán với số lượng lớn bằng thấu kính hấp dẫn trên một phạm vi rộng
• ảnh hưởng đến động lực của các cụm thiên hà

đến tên một vài.

Có nhiều ứng cử viên được biết đến cho các hạt vật chất tối: WIMP , axion , WISP , neutrino, v.v. (trên thực tế, thậm chí cả gạch, mặc dù một số cân nhắc khác sẽ loại trừ chúng).

Câu hỏi sau đó là : Tại sao chúng ta mong đợi rằng chỉ có một loại hạt vật chất tối chịu trách nhiệm cho vật chất tối hiện tượng học?

Ví dụ, vũ trụ học CDM, mô hình vũ trụ tiêu chuẩn, đòi hỏi vật chất tối phải lạnh (chậm, không tương đối), được sử dụng để hạn chế các tính chất có thể có của các hạt vật chất tối. Tuy nhiên, điều này không thực sự ngụ ý, vật chất tối đó lạnh đối với tất cả các hệ thống vật lý thiên văn. Ví dụ, halos thiên hà có thể được tạo ra từ vật chất tối ấm áp và halos của các thiên hà lùn có thể được tạo ra từ vật chất tối lạnh.$\Lambda$

Tất nhiên người ta có thể nói rằng mô hình một loài là đơn giản nhất. Các đối số sẽ là trong thực tế có thể có nhiều loài. Điều này đến lượt nó có thể có ý nghĩa sâu sắc cho các mô hình vật lý thiên văn.

Để tóm tắt câu hỏi: Có lý do chính đáng nào, tốt nhất là được hỗ trợ bởi các quan sát, để nghĩ rằng chỉ có một loài vật chất tối có mặt trong tất cả các mô hình hiện đang sử dụng?

Vật chất tối nóng sẽ được tạo ra từ các hạt rất nhẹ, chuyển động nhanh. Các hạt như vậy không thể liên kết hấp dẫn với bất kỳ cấu trúc nào, mà thay vào đó sẽ bị phân tán khắp vũ trụ.

Nhưng vật chất tối luôn luôn được "tìm thấy" (hoặc "suy ra") hoặc bị ràng buộc bởi một số cấu trúc có thể nhìn thấy (ví dụ phát hiện thấu kính yếu của vật chất tối liên quan đến các cụm thiên hà va chạm / các đường cong xoay phẳng của các thiên hà xoắn ốc / sự phân tán vận tốc bất thường trong các cụm thiên hà ) hoặc không liên quan đến bất cứ thứ gì có thể nhìn thấy nhưng vẫn hình thành các cụm (phát hiện thấu kính yếu của các cụm thiên hà chưa từng thấy trước đây ). Đó là lý do tại sao vật chất tối được cho là lạnh .

Ngoài ra, có một sự khác biệt rõ ràng giữa cả hai loại: không có thứ gọi là vật chất tối "không quá lạnh nhưng cũng không quá nóng" (xem cả chú thích). Vật chất tối được tạo thành từ các hạt có ít hơn ~ 10 eV (vật chất tối nóng, được tạo thành từ các hạt ánh sáng, phần lớn phân tán ở mọi nơi) hoặc các hạt có hơn ~ 2 GeV (các hạt nặng hơn, chậm hơn bị ràng buộc bởi một số cấu trúc). Cả hai giới hạn được tìm thấy khi áp đặt số lượng tối đa mà các hạt ứng cử viên (neutrino hoặc thứ gì đó kỳ lạ hơn) có thể đóng góp vào giá trị thực của tham số mật độ do vật chất trong Vũ trụ mở rộng của chúng ta.

Do đó, DM xuất hiện ràng buộc hấp dẫn (DM lạnh) hoặc phân tán (DM nóng) và cả hai loại đều khác biệt rõ ràng (10 ev so với 2 Gev). Quan sát ủng hộ trường hợp đầu tiên. Tuy nhiên, Cold Dark Matter không phải là giải pháp tối ưu và vẫn phải đối mặt với một số vấn đề.

Liên quan đến khả năng của các giải pháp hỗn hợp, nhiều người trong số họ đã bị loại trừ. Microlensing đã loại trừ khả năng các vật thể nhỏ gọn không nhìn thấy (sao lùn nâu, ngôi sao, lỗ đen sao) trong các thiên hà, trong khu vực thiên hà của chúng ta cũng như trong miền ngoài vũ trụ . Vật chất thông thường (đá, gạch, bụi) không thể có thể, nếu không chúng sẽ nóng lên và tỏa lại. Bất kỳ hỗn hợp kỳ lạ của các hạt đã biết không hoạt động.

Tất cả những gì chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi biết là DM phải được tạo thành từ một số hạt nặng chưa được khám phá. Để giới thiệu một mô hình phức tạp hơn (ví dụ như các loại hạt khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc mà chúng xuất hiện), người ta cần một sự biện minh (nghĩa là một số dự đoán phù hợp hơn với thực tế) và chưa ai có thể làm điều đó.

Lưu ý Lưu ý rằng các hạt Vật chất tối, từ loại nóng hoặc loại lạnh, không thể "làm chậm" và đóng cục quá nhiều (ví dụ như hình thành các hành tinh) vì chúng không tương tác điện từ như vật chất thông thường, đó là lý do DM được cho là không va chạm . Bất cứ nơi nào infalling hình thức vật chất thông thường cấu trúc bất kỳ (ví dụ như tiền sao hoặc đĩa bồi đắp ), một phần rất quan trọng của quá trình này là thermalisation , tức là phân bố lại năng lượng của các hạt infalling bằng phương tiện của nhiều va chạm. Điều này không thể xảy ra với Dark Matter.

Về cơ bản, câu trả lời là dao cạo của Occam : tìm kiếm giải pháp đơn giản nhất và tránh các giải pháp phức tạp và khó khăn , trừ khi bằng chứng (quan sát) yêu cầu chúng . Vâng, có thể tồn tại hai hoặc nhiều loại hạt vật chất tối. Nhưng bất kỳ giải pháp nào mà không một loài nào thống trị đều yêu cầu tinh chỉnh và do đó không thuận lợi. Vì vậy, trừ khi có một lý thuyết tự nhiên đi kèm với hỗn hợp các hạt vật chất tối (với các tính chất khác nhau liên quan đến ý nghĩa vật lý thiên văn của chúng, ví dụ như nóng và lạnh, v.v., khi dao cạo của Occam không áp dụng ), chúng ta chỉ nên hy vọng một loài sẽ thống trị .

Nếu một lý thuyết như vậy không giải thích được bằng chứng, thì chỉ khi đó nó mới có ý nghĩa để đi đến một mô hình phức tạp hơn với nhiều loại hạt vật chất tối. Hiện tại, chúng tôi không ở giai đoạn đó.