Duas espécies de matéria escura?

Neste momento, as evidências da existência de matéria escura se acumularam de várias maneiras:

• afeta as curvas de rotação galáctica
• desempenha um papel importante na cosmologia, e a evolução da estrutura no universo
• é previsto em grandes quantidades por lentes gravitacionais em uma ampla gama de escalas
• influencia a dinâmica dos aglomerados de galáxias

para nomear alguns.

Existem muitos candidatos conhecidos para partículas de matéria escura: WIMPs , axions , WISPs , neutrinos etc. (de fato, até tijolos, embora algumas outras considerações os excluam).

A questão então é : por que esperamos que apenas um tipo de partículas de matéria escura seja responsável pela matéria escura fenomenológica?

Por exemplo, cosmologia CDM, o modelo cosmológico padrão, exige que a matéria escura seja fria (lenta, não relativista), usada para restringir as possíveis propriedades das partículas de matéria escura. No entanto, isso realmente não implica que a matéria escura seja fria para todos os sistemas astrofísicos. Por exemplo, halos galácticos podem ser feitos de matéria escura quente e halos de galáxias anãs podem ser feitos de matéria escura e fria.$\Lambda$

Pode-se dizer, é claro, que o modelo de uma espécie é o mais simples. O contra-argumento seria que, na realidade, pode haver muitas espécies. Por sua vez, isso pode ter implicações profundas nos modelos astrofísicos.

Para resumir a pergunta: Existe alguma boa razão, preferencialmente apoiada por observações, para pensar que apenas uma espécie de matéria escura está presente em todos os modelos atualmente usados?

A matéria escura quente seria feita de partículas muito leves e em movimento rápido. Tais partículas não poderiam estar gravitacionalmente ligadas a nenhuma estrutura, mas seriam dispersas por todo o universo.

Porém, a matéria escura é sempre "encontrada" (ou "inferida") gravitacionalmente ligada a alguma estrutura visível (por exemplo, detecção fraca de lentes da matéria escura associada a colisões de aglomerados de galáxias / curvas planas de rotação de galáxias espirais / dispersão anormal de velocidade em aglomerados de galáxias ) ou não está associado a nada visível, mas mesmo assim formando aglomerados (fraca detecção de lentes de aglomerados de galáxias antes invisíveis ). É por isso que a matéria escura é considerada fria .

Além disso, existe uma distinção clara entre os dois tipos: não existe matéria escura que "não seja muito fria, mas também não é muito quente" (consulte também a nota de rodapé). A matéria escura é feita de partículas com menos de ~ 10 eV (matéria escura quente, feita de partículas leves, principalmente dispersas em todos os lugares) ou partículas com mais de ~ 2 GeV (partículas mais pesadas e lentas gravitacionalmente ligadas a alguma estrutura). Ambos os limites são encontrados ao impor a quantidade máxima em que as partículas candidatas (neutrinos ou algo mais exótico) podem contribuir para o valor real do parâmetro de densidade devido à matéria em nosso Universo em expansão.

Assim, o DM parece gravitacionalmente ligado (DM frio) ou disperso (DM quente), e ambos os tipos são claramente distintos (10 ev vs 2 Gev). Observações favorecem o primeiro caso. No entanto, Cold Dark Matter não é a solução definitiva e ainda enfrenta alguns problemas.

Quanto à possibilidade de soluções mistas, muitas delas já foram descartadas. O microlente descartou a possibilidade de objetos compactos invisíveis (anãs marrons, estrelas, buracos negros estelares) em halos galácticos, em nossa vizinhança galáctica e no domínio extragalático . A matéria comum (pedras, tijolos, poeira) não pode ser possível; caso contrário, eles ficariam quentes e irradiariam novamente. Qualquer mistura exótica de partículas conhecidas não funciona.

Tudo o que achamos que sabemos é que o DM deve ser feito de algumas partículas pesadas ainda a serem descobertas. Para introduzir um modelo mais complexo (por exemplo, diferentes tipos de partículas, dependendo da estrutura à qual eles parecem ligados), é preciso uma justificativa (isto é, algumas previsões que melhor concordam com a realidade) e ninguém foi capaz de fazer isso ainda.

Observação Observe que as partículas da matéria escura, do tipo quente ou do frio, não podem "desacelerar" e se aglomerar demais (por exemplo, formar planetas) porque não interagem eletromagneticamente como a matéria comum, é por isso que se diz que o DM é sem colisão . Onde quer que a matéria comum infalente forme alguma estrutura (por exemplo, protoestrelas ou discos de acréscimo ), uma parte muito importante do processo é a termização , isto é , a redistribuição de energia das partículas infalentes por meio de inúmeras colisões. Isso não pode acontecer com o Dark Matter.

Essencialmente, a resposta é a navalha de Occam : procure a solução mais simples e evite soluções complicadas e inventadas , a menos que evidências (observacionais) as exijam . Sim, é possível que existam dois ou mais tipos de partículas de matéria escura. Mas quaisquer soluções em que nenhuma espécie domine requerem ajustes finos e, portanto, são desfavoráveis. Portanto, a menos que exista uma teoria que venha naturalmente com uma mistura de partículas de matéria escura (com propriedades diferentes em relação às implicações astrofísicas, como quente e frio, etc., quando a lâmina de Occam não se aplicar ), devemos esperar que apenas uma espécie domine .

Se tal teoria falha em explicar as evidências, só então faz sentido ir para um modelo mais complicado com mais de um tipo de partícula de matéria escura. Atualmente, não estamos nessa fase.