Dua spesies materi gelap?

Pada titik ini, bukti keberadaan materi gelap telah terakumulasi dalam banyak cara:

• itu mempengaruhi kurva rotasi galaksi
• memainkan peran utama dalam kosmologi, dan evolusi struktur di alam semesta
• diperkirakan dalam jumlah berlebihan oleh pelensaan gravitasi pada berbagai skala
• Mempengaruhi dinamika cluster galaksi

untuk beberapa nama.

Ada banyak kandidat yang dikenal untuk partikel materi gelap: WIMPs , axion , WISPs , neutrino, dll (pada kenyataannya, bahkan batu bata, meskipun beberapa pertimbangan lain akan mengecualikan mereka).

Pertanyaannya kemudian adalah : Mengapa kita berharap bahwa hanya satu jenis partikel materi gelap yang bertanggung jawab atas materi gelap fenomenologis?

Misalnya, kosmologi CDM , model kosmologis standar, mengharuskan materi gelap menjadi dingin (lambat, non-relativistik), yang digunakan untuk membatasi kemungkinan sifat-sifat partikel materi gelap. Namun, ini sebenarnya tidak menyiratkan, bahwa materi gelap itu dingin untuk semua sistem astrofisika. Misalnya, lingkaran cahaya galaksi dapat terbuat dari materi gelap yang hangat, dan lingkaran cahaya galaksi kerdil dapat dibuat dari materi gelap dingin.$\Lambda$

Orang tentu saja dapat mengatakan bahwa model satu spesies adalah yang paling sederhana. Argumen yang bertentangan adalah bahwa dalam kenyataannya mungkin ada banyak spesies. Ini pada gilirannya mungkin memiliki implikasi mendalam untuk model astrofisika.

Untuk meringkas pertanyaan: Apakah ada alasan bagus, lebih disukai didukung oleh pengamatan, untuk berpikir bahwa hanya satu spesies materi gelap hadir di semua model yang saat ini digunakan?

Materi gelap yang panas akan dibuat dari partikel yang sangat terang dan bergerak cepat. Partikel-partikel semacam itu tidak mungkin secara gravitasi terikat pada struktur apa pun, melainkan akan tersebar di seluruh alam semesta.

Tetapi materi gelap selalu "ditemukan" (atau "disimpulkan") baik secara gravitasi terikat pada beberapa struktur yang terlihat (misalnya deteksi lensa lemah dari materi gelap yang terkait dengan kluster galaksi bertabrakan / kurva rotasi datar galaksi spiral / dispersi kecepatan abnormal pada kluster galaksi ) atau tidak terkait dengan apa pun yang terlihat tetapi tetap membentuk rumpun (deteksi lensa lemah dari kluster galaksi yang sebelumnya tidak terlihat ). Itulah mengapa materi gelap dianggap dingin .

Selain itu, ada perbedaan yang jelas antara kedua jenis: tidak ada yang namanya materi gelap yang "tidak terlalu dingin tetapi juga tidak terlalu panas" (lihat catatan kaki juga). Materi gelap entah terbuat dari partikel dengan kurang dari ~ 10 eV (materi gelap panas, terbuat dari partikel cahaya, sebagian besar tersebar di mana-mana) atau partikel dengan lebih dari ~ 2 GeV (partikel lebih berat, lebih lambat secara gravitasi terikat pada suatu struktur). Kedua batas ditemukan ketika memaksakan jumlah maksimum di mana partikel kandidat (neutrino atau sesuatu yang lebih eksotis) mungkin dapat berkontribusi pada nilai aktual dari parameter kepadatan karena materi di Alam semesta kita yang membentang.

Dengan demikian, baik DM tampak terikat secara gravitasi (DM dingin) atau terdispersi (DM panas), dan kedua jenis ini jelas berbeda (10 ev vs 2 Gev). Pengamatan mendukung kasus pertama. Namun, Cold Dark Matter bukanlah solusi akhir, dan masih menghadapi beberapa masalah.

Mengenai kemungkinan solusi campuran, banyak dari mereka telah dikesampingkan. Microlensing telah mengesampingkan kemungkinan benda padat yang tak terlihat (katai coklat, bintang, lubang hitam bintang) di lingkaran cahaya galaksi, di lingkungan galaksi kita serta di domain ekstragalaktik . Materi biasa (batu, batu bata, debu) tidak mungkin, jika tidak mereka akan menjadi panas dan kembali memancarkan sinar. Campuran eksotis dari partikel yang diketahui tidak bekerja.

Yang kami pikir kami tahu adalah bahwa DM harus terbuat dari beberapa partikel berat yang belum ditemukan. Untuk memperkenalkan model yang lebih kompleks (misalnya berbagai jenis partikel tergantung pada struktur tempat mereka berpasangan) kita perlu pembenaran (yaitu beberapa prediksi yang lebih sesuai dengan kenyataan) dan belum ada yang bisa melakukan itu.

Catatan: Partikel-partikel Bahan Gelap, baik dari tipe panas atau dingin, tidak mungkin "melambat" dan menggumpal terlalu banyak (misalnya membentuk planet) karena mereka tidak berinteraksi secara elektromagnetik seperti materi biasa, itulah sebabnya DM dikatakan sebagai tanpa tabrakan . Di mana pun materi biasa membentuk struktur apa pun (mis. Protostar atau piringan akresi ), bagian yang sangat penting dari proses ini adalah termalisasi , yaitu redistribusi energi dari partikel-partikel yang jatuh dengan cara berbagai tabrakan. Ini tidak dapat terjadi dengan Dark Matter.

Pada dasarnya, jawabannya adalah pisau cukur Occam : cari solusi yang paling sederhana dan hindari solusi yang rumit dan dibuat-buat , kecuali bukti (pengamatan) mengharuskan mereka . Ya, mungkin saja ada dua atau lebih jenis partikel materi gelap. Tetapi solusi apa pun di mana tidak ada satu spesies pun yang mendominasi membutuhkan penyempurnaan dan karenanya tidak menguntungkan. Jadi, kecuali ada teori yang secara alami akan datang dengan campuran partikel materi gelap (dengan sifat yang berbeda mengenai implikasi astrofisika mereka, yaitu panas dan dingin dll, ketika pisau cukur Occam tidak berlaku ), kita seharusnya hanya mengharapkan satu spesies mendominasi .

Jika teori semacam itu gagal menjelaskan bukti, baru masuk akal untuk beralih ke model yang lebih rumit dengan lebih dari satu jenis partikel materi gelap. Saat ini, kami tidak pada tahap itu.