Matéria escura fria - Cold dark matter

Em cosmologia e física , a matéria escura fria ( CDM ) é um tipo hipotético de matéria escura . As observações indicam que aproximadamente 85% da matéria no universo é matéria escura, com apenas uma pequena fração sendo a matéria bariônica comum que compõe estrelas , planetas e organismos vivos. Frio se refere ao fato de que a matéria escura se move lentamente em comparação com a velocidade da luz , enquanto a escuridão indica que ela interage muito fracamente com a matéria comum e a radiação eletromagnética .

A natureza física do MDL é atualmente desconhecida e há uma grande variedade de possibilidades. Entre eles estão um novo tipo de partícula massiva de interação fraca , buracos negros primordiais e axions .

História

A teoria da matéria escura fria foi publicada originalmente em 1982 por James Peebles ; enquanto a imagem da matéria escura quente foi proposta de forma independente ao mesmo tempo por J. Richard Bond , Alex Szalay e Michael Turner ; e George Blumenthal , H. Pagels e Joel Primack . Um artigo de revisão em 1984 de Blumenthal, Sandra Moore Faber , Primack e Martin Rees desenvolveu os detalhes da teoria.

Formação de estrutura

Na teoria da matéria escura fria, a estrutura cresce hierarquicamente, com pequenos objetos entrando em colapso sob sua autogravidade primeiro e se fundindo em uma hierarquia contínua para formar objetos maiores e mais massivos. As previsões do paradigma da matéria escura fria estão em geral de acordo com as observações da estrutura cosmológica em grande escala .

No paradigma da matéria escura quente , popular no início dos anos 1980 e menos agora, a estrutura não se forma hierarquicamente (de baixo para cima ), mas se forma por fragmentação (de cima para baixo ), com os maiores superaglomerados se formando primeiro em folhas planas semelhantes a panquecas e subsequentemente se fragmentando em pedaços menores, como nossa galáxia, a Via Láctea .

Desde o final dos anos 1980 ou 1990, a maioria dos cosmologistas favorece a teoria da matéria escura fria (especificamente o moderno modelo Lambda-CDM ) como uma descrição de como o universo passou de um estado inicial suave nos primeiros tempos (como mostrado pela radiação cósmica de fundo em microondas ) à distribuição irregular de galáxias e seus aglomerados que vemos hoje - a estrutura em grande escala do universo. As galáxias anãs são cruciais para esta teoria, tendo sido criadas por flutuações de densidade em pequena escala no início do universo; eles agora se tornaram blocos de construção naturais que formam estruturas maiores.

Composição

A matéria escura é detectada por meio de suas interações gravitacionais com a matéria comum e a radiação. Como tal, é muito difícil determinar quais são os constituintes da matéria escura fria. Os candidatos se enquadram aproximadamente em três categorias:

  • Axions , partículas muito leves com um tipo específico de auto-interação que os torna um candidato adequado ao MDL. Os axiões têm a vantagem teórica de que sua existência resolve o forte problema de CP na cromodinâmica quântica , mas as partículas dos axiões foram apenas teorizadas e nunca detectadas. Os axions são um exemplo de uma categoria mais geral de partícula chamada WISP ( partícula "delgada" ou "delgada" de interação fraca ), que são as contrapartes de baixa massa dos WIMPs.
  • Partículas massivas de interação fraca (WIMPs). Não existe atualmente nenhuma partícula conhecida com as propriedades necessárias, mas muitas extensões do modelo padrão da física de partículas prevêem tais partículas. A busca por WIMPs envolve tentativas de detecção direta por detectores altamente sensíveis, bem como tentativas de produção de WIMPs por aceleradores de partículas . WIMPs são geralmente considerados um dos candidatos mais promissores para a composição da matéria escura. O experimento DAMA / NaI e seu sucessor DAMA / LIBRA alegaram ter detectado diretamente partículas de matéria escura passando pela Terra, mas muitos cientistas permanecem céticos porque nenhum resultado de experimentos semelhantes parece compatível com os resultados do DAMA.

Desafios

Surgiram várias discrepâncias entre as previsões do paradigma da matéria escura fria de partículas e as observações de galáxias e seu agrupamento:

O problema do halo cuspy
As distribuições de densidade de halos de matéria escura em simulações de matéria escura fria (pelo menos aquelas que não incluem o impacto do feedback bariônico) são muito mais pontiagudas do que o que é observado em galáxias investigando suas curvas de rotação.
O problema dos satélites ausentes
As simulações de matéria escura fria prevêem um grande número de pequenos halos de matéria escura, mais numerosos do que o número de pequenas galáxias anãs que são observadas ao redor de galáxias como a Via Láctea .
O problema do disco dos satélites
Observou-se que galáxias anãs ao redor das galáxias da Via Láctea e de Andrômeda orbitam em estruturas planas finas, enquanto as simulações prevêem que elas devem ser distribuídas aleatoriamente em torno de suas galáxias-mãe.
Problema de morfologia da galáxia
Se as galáxias crescessem hierarquicamente, as galáxias massivas exigiam muitas fusões. Grandes fusões inevitavelmente criam uma protuberância clássica . Pelo contrário, cerca de 80% das galáxias observadas não dão evidência de tais protuberâncias, e galáxias gigantes de disco puro são comuns. Essa fração sem bojo foi quase constante por 8 bilhões de anos.

Alguns desses problemas propuseram soluções, mas ainda não está claro se eles podem ser resolvidos sem abandonar o paradigma do MDL.

Veja também

Referências

Leitura adicional