Скалярное поле темной материи

В астрофизике и космологии скалярное поле темной материи представляет собой классическое, минимально связанное скалярное поле, постулируемое для объяснения предполагаемой темной материи . ^[2]

Фон

Вселенная может ускоряться, возможно, подпитываемая космологической постоянной или чем-то еще.другое поле, обладающее дальнодействующими «отталкивающими» эффектами. Модель должна предсказывать правильную формукрупномасштабный спектр кластеризации, ^[3] учитывать анизотропию космического микроволнового фона на больших и средних угловых масштабах и обеспечивать согласие с зависимостью светимости от расстояния, полученной из наблюдений с большим красным смещением сверхновых . Смоделированная эволюция Вселенной включает большое количество неизвестной материи и энергии, чтобы согласоваться с такими наблюдениями. Эта плотность энергии имеет два компонента: холодную темную материю и темную энергию . Каждый вносит свой вклад в теорию возникновения галактик и расширения Вселенной. Вселенная должна иметь критическую плотность, плотность, которую нельзя объяснить только барионной материей (обычной материей ).

Скалярное поле

Темную материю можно смоделировать как скалярное поле, используя два подобранных параметра: массу и самодействие . ^[4]^[5] На этом снимке темная материя состоит из сверхлегкой частицы с массой ~10 ⁻²² эВ, когда нет самовоздействия. ^[6]^[7]^[8] При наличии самовоздействия допускается более широкий диапазон масс. ^[9] Неопределенность положения частицы превышает ее комптоновскую длину волны (частица с массой 10 ⁻²² эВ имеет комптоновскую длину волны 1,3 световых года ), и для некоторых разумных оценок массы частиц и плотности темной материи нет смысла говорить о положениях и импульсах отдельных частиц. Путем некоторых динамических измерений мы можем сделать вывод, что плотность массы темной материи составляет около $0.4\ GeV\ cm^{-3}$ . Можно вычислить среднее расстояние между этими частицами, вычислив длину волны де Бройля: $\lambda =2\pi /mv$ , здесь m — масса частицы темной материи, а v — скорость рассеяния гало. Среднее число частиц в кубическом объеме, имеющем размерность, равную длине волны де Бройля, $\lambda ^{3}$ дается, $N_{db}=\left({\frac {34eV}{m}}\right)^{4}\left({\frac {250km/s}{v}}\right)^{3}$

Число заполнения этих частиц настолько велико, что мы можем рассматривать волновую природу этих частиц в классическом описании. Чтобы удовлетворить принципу запрета Паули, частица должна быть бозонами, особенно частицами с нулевым спином (скалярными). следовательно, эта сверхлегкая темная материя будет больше похожа на волну, чем на частицу, а галактические гало представляют собой гигантские системы конденсированной бозе-жидкости , возможно, сверхтекучей . Темную материю можно описать как бозе-эйнштейновский конденсат сверхсветовых квантов поля. ^[10] и как бозонные звезды. ^[9] Огромная комптоновская длина волны этих частиц предотвращает образование структур на малых субгалактических масштабах, что является серьезной проблемой в традиционных моделях холодной темной материи. Коллапс начальных сверхплотностей изучается в ссылках. ^[11]^[12]^[13]^[14] Существует не так много моделей, в которых мы рассматриваем темную материю как скалярное поле. Аксионоподобная частица (АЛП) в теории струн может рассматриваться как модель темной материи скалярного поля, поскольку ее массовая плотность удовлетворяет реликтовой плотности темной материи. Наиболее распространенным механизмом образования ЩФ является механизм смещения . Который показывает массу вокруг $(10^{-22}-10^{-20})\ eV$ удовлетворяет реликтовому обилию наблюдаемой темной материи. ^[15]

Эта модель темной материи также известна как темная материя БЭК или волновая темная материя. Нечеткая темная материя и сверхлегкий аксион являются примерами темной материи скалярного поля.

См. также

Слабо взаимодействующие массивные частицы — гипотетические частицы, которые могут представлять собой темную материю.
Минимальная суперсимметричная стандартная модель - простейшее суперсимметричное расширение Стандартной модели.
Нейтралино - собственное состояние нейтральной массы, образованное из суперпартнеров калибровочных бозонов и бозонов Хиггса.
Аксион - Гипотетическая элементарная частица.
Гало темной материи - Теоретическая космологическая структура
Легкая темная материя - кандидаты в массивные частицы, слабо взаимодействующие с темной материей с массой менее 1 ГэВ.
Горячая темная материя - теоретическая форма частиц темной материи, движущихся со скоростью, близкой к скорости света.
Теплая темная материя - Гипотетическая форма темной материи.
Нечеткая холодная темная материя - гипотетическая форма холодной темной материи, предложенная для решения проблемы острого гало.

Ссылки

^ Иеремия П. Острайкер и Пол Стейнхардт Новый свет на темную материю
^ Дж. Вэл Блейн, изд. (2005). Тенденции в исследованиях темной материи . Авторы: Реджинальд Т. Кэхилл, Ф. Сиддхартха Гусман, Н. Хиотелис, А.А. Кириллов, В.Е. Кузьмичев, В.В. Кузьмичев, А. Миязаки, Ю. А. Щекинов, Л. Артуро Урена-Лопес, Е. И. Воробьев. Издательство Нова. п. 40. ИСБН 978-1-59454-248-0 .
^ Галактики не разбросаны по Вселенной случайным образом, а образуют сложную сеть нитей, листов и скоплений. То, как образовались эти крупномасштабные структуры, лежит в основе многих ключевых вопросов космологии.
^ Балдески, MR; Джельмини, Великобритания; Руффини, Р. (10 марта 1983 г.). «О массивных фермионах и бозонах в галактических гало». Буквы по физике Б. 122 (3): 221–224. Бибкод : 1983PhLB..122..221B . дои : 10.1016/0370-2693(83)90688-3 .
^ Мембрадо, М.; Пачеко, А.Ф.; Саньюдо, Дж. (1 апреля 1989 г.). «Решения Хартри для собственной бозонной сферы Юкави». Физический обзор А. 39 (8): 4207–4211. Бибкод : 1989PhRvA..39.4207M . дои : 10.1103/PhysRevA.39.4207 . ПМИД 9901751 .
^ Матос, Тонатиу; Уренья-Лопес, Л. Артуро (2000). «Квинтэссенция и скалярная темная материя во Вселенной». Письмо в редакцию. Классическая и квантовая гравитация . 17 (13): Л75. arXiv : astro-ph/0004332 . Бибкод : 2000CQGra..17L..75M . дои : 10.1088/0264-9381/17/13/101 . S2CID 44042014 .
^ Матос, Тонатиу; Уренья-Лопес, Л. Артуро (2001). «Дальнейший анализ космологической модели с квинтэссенцией и скалярной темной материей». Физический обзор D . 63 (6): 063506. arXiv : astro-ph/0006024 . Бибкод : 2001PhRvD..63f3506M . дои : 10.1103/PhysRevD.63.063506 . S2CID 55583802 .
^ Сахни, Варун; Ван, Лимин (2000). «Новая космологическая модель квинтэссенции и темной материи». Физический обзор D . 62 (10): 103517. arXiv : astro-ph/9910097 . Бибкод : 2000PhRvD..62j3517S . дои : 10.1103/PhysRevD.62.103517 . S2CID 119480411 .
^ Jump up to: ^а ^б Ли, Джэ-Вон; Ко, Ин-Гю (1996). «Галактические гало как бозонные звезды». Физический обзор D . 53 (4): 2236–2239. arXiv : hep-ph/9507385 . Бибкод : 1996PhRvD..53.2236L . дои : 10.1103/PhysRevD.53.2236 . ПМИД 10020213 . S2CID 16914311 .
^ Син, Сан-Джин; Урена-Лопес, Луизиана (1994). «Фазовый переход позднего времени и галактическое гало как бозе-жидкость». Физический обзор D . 50 (6): 3650–3654. arXiv : hep-ph/9205208 . Бибкод : 1994PhRvD..50.3650S . дои : 10.1103/PhysRevD.50.3650 . ПМИД 10018007 . S2CID 119415858 .
^ Алькубьерре, Мигель; Гусман, Ф. Сиддхартха; Матос, Тонатиу; Нуньес, Дарио; Уренья-Лопес, Л. Артуро; Видерхольд, Петра (2002). «Галактический коллапс скалярного поля темной материи». Классическая и квантовая гравитация . 19 (19): 5017–5024. arXiv : gr-qc/0110102 . Бибкод : 2002CQGra..19.5017A . дои : 10.1088/0264-9381/19/19/314 . S2CID 26660029 .
^ Гусман, Ф. Сиддхартха; Уренья-Лопес, Л. Артуро (2004). «Эволюция системы Шрёдингера-Ньютона для самогравитирующего скалярного поля». Физический обзор D . 69 (12): 124033. arXiv : gr-qc/0404014 . Бибкод : 2004PhRvD..69l4033G . дои : 10.1103/PhysRevD.69.124033 . S2CID 53064807 .
^ Гусман, Ф. Сиддхартха; Уренья-Лопес, Л. Артуро (2006). «Гравитационное охлаждение самогравитирующих бозе-конденсатов». Астрофизический журнал . 645 (2): 814–819. arXiv : astro-ph/0603613 . Бибкод : 2006ApJ...645..814G . дои : 10.1086/504508 . S2CID 1863630 .
^ Берналь, Аргелия; Гусман, Ф. Сиддхартха (2006). «Темная материя скалярного поля: несферический коллапс и поведение в поздние времена». Физический обзор D . 74 (6): 063504. arXiv : astro-ph/0608523 . Бибкод : 2006PhRvD..74f3504B . дои : 10.1103/PhysRevD.74.063504 . S2CID 119542259 .
^ Хуэй, Лам (2021). «Волна темной материи» . Анну. Преподобный Астрон. Астрофизика . 59 : 247. arXiv : 2101.11735 . Бибкод : 2021ARA&A..59..247H . doi : 10.1146/annurev-astro-120920-010024 . S2CID 231719700 .

Внешние ссылки

Увеличенная тьма , Scientific American

[Ostriker-1] Иеремия П. Острайкер и Пол Стейнхардт Новый свет на темную материю

[Blain-2] Дж. Вэл Блейн, изд. (2005). Тенденции в исследованиях темной материи . Авторы: Реджинальд Т. Кэхилл, Ф. Сиддхартха Гусман, Н. Хиотелис, А.А. Кириллов, В.Е. Кузьмичев, В.В. Кузьмичев, А. Миязаки, Ю. А. Щекинов, Л. Артуро Урена-Лопес, Е. И. Воробьев. Издательство Нова. п. 40. ИСБН 978-1-59454-248-0 .

[cluster-3] Галактики не разбросаны по Вселенной случайным образом, а образуют сложную сеть нитей, листов и скоплений. То, как образовались эти крупномасштабные структуры, лежит в основе многих ключевых вопросов космологии.

[4] Балдески, MR; Джельмини, Великобритания; Руффини, Р. (10 марта 1983 г.). «О массивных фермионах и бозонах в галактических гало». Буквы по физике Б. 122 (3): 221–224. Бибкод : 1983PhLB..122..221B . дои : 10.1016/0370-2693(83)90688-3 .

[5] Мембрадо, М.; Пачеко, А.Ф.; Саньюдо, Дж. (1 апреля 1989 г.). «Решения Хартри для собственной бозонной сферы Юкави». Физический обзор А. 39 (8): 4207–4211. Бибкод : 1989PhRvA..39.4207M . дои : 10.1103/PhysRevA.39.4207 . ПМИД 9901751 .

[6] Матос, Тонатиу; Уренья-Лопес, Л. Артуро (2000). «Квинтэссенция и скалярная темная материя во Вселенной». Письмо в редакцию. Классическая и квантовая гравитация . 17 (13): Л75. arXiv : astro-ph/0004332 . Бибкод : 2000CQGra..17L..75M . дои : 10.1088/0264-9381/17/13/101 . S2CID 44042014 .

[7] Матос, Тонатиу; Уренья-Лопес, Л. Артуро (2001). «Дальнейший анализ космологической модели с квинтэссенцией и скалярной темной материей». Физический обзор D . 63 (6): 063506. arXiv : astro-ph/0006024 . Бибкод : 2001PhRvD..63f3506M . дои : 10.1103/PhysRevD.63.063506 . S2CID 55583802 .

[8] Сахни, Варун; Ван, Лимин (2000). «Новая космологическая модель квинтэссенции и темной материи». Физический обзор D . 62 (10): 103517. arXiv : astro-ph/9910097 . Бибкод : 2000PhRvD..62j3517S . дои : 10.1103/PhysRevD.62.103517 . S2CID 119480411 .

[:0-9] Jump up to: ^а ^б Ли, Джэ-Вон; Ко, Ин-Гю (1996). «Галактические гало как бозонные звезды». Физический обзор D . 53 (4): 2236–2239. arXiv : hep-ph/9507385 . Бибкод : 1996PhRvD..53.2236L . дои : 10.1103/PhysRevD.53.2236 . ПМИД 10020213 . S2CID 16914311 .

[10] Син, Сан-Джин; Урена-Лопес, Луизиана (1994). «Фазовый переход позднего времени и галактическое гало как бозе-жидкость». Физический обзор D . 50 (6): 3650–3654. arXiv : hep-ph/9205208 . Бибкод : 1994PhRvD..50.3650S . дои : 10.1103/PhysRevD.50.3650 . ПМИД 10018007 . S2CID 119415858 .

[11] Алькубьерре, Мигель; Гусман, Ф. Сиддхартха; Матос, Тонатиу; Нуньес, Дарио; Уренья-Лопес, Л. Артуро; Видерхольд, Петра (2002). «Галактический коллапс скалярного поля темной материи». Классическая и квантовая гравитация . 19 (19): 5017–5024. arXiv : gr-qc/0110102 . Бибкод : 2002CQGra..19.5017A . дои : 10.1088/0264-9381/19/19/314 . S2CID 26660029 .

[12] Гусман, Ф. Сиддхартха; Уренья-Лопес, Л. Артуро (2004). «Эволюция системы Шрёдингера-Ньютона для самогравитирующего скалярного поля». Физический обзор D . 69 (12): 124033. arXiv : gr-qc/0404014 . Бибкод : 2004PhRvD..69l4033G . дои : 10.1103/PhysRevD.69.124033 . S2CID 53064807 .

[13] Гусман, Ф. Сиддхартха; Уренья-Лопес, Л. Артуро (2006). «Гравитационное охлаждение самогравитирующих бозе-конденсатов». Астрофизический журнал . 645 (2): 814–819. arXiv : astro-ph/0603613 . Бибкод : 2006ApJ...645..814G . дои : 10.1086/504508 . S2CID 1863630 .

[14] Берналь, Аргелия; Гусман, Ф. Сиддхартха (2006). «Темная материя скалярного поля: несферический коллапс и поведение в поздние времена». Физический обзор D . 74 (6): 063504. arXiv : astro-ph/0608523 . Бибкод : 2006PhRvD..74f3504B . дои : 10.1103/PhysRevD.74.063504 . S2CID 119542259 .

[15] Хуэй, Лам (2021). «Волна темной материи» . Анну. Преподобный Астрон. Астрофизика . 59 : 247. arXiv : 2101.11735 . Бибкод : 2021ARA&A..59..247H . doi : 10.1146/annurev-astro-120920-010024 . S2CID 231719700 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]