¿Por qué la materia oscura caliente no ha sustituido a la fría como modelo estándar de la cosmología?

Question

En $\Lambda\rm CDM$ (materia oscura fría con constante cosmológica) es el actual modelo estándar de la cosmología porque el modelo viene acompañado de una larga lista de fenómenos explicados con éxito por él. Sin embargo, queda un puñado de problemas que aún no se han resuelto en el contexto de $\Lambda\rm CDM$ (con enlaces a mis selecciones de documentos técnicos razonablemente accesibles y/o actualizados):

• El problema de ser demasiado grande para quebrar
• El problema cúspide-núcleo
• El problema de los satélites desaparecidos
• El problema del disco de satélites

Estas (¿percibidas? aún no está claro si estas cuestiones pueden resolverse dentro de la $\Lambda\rm CDM$ marco) han llevado a muchos grupos de investigación a buscar teorías alternativas. Algunos examinan modificaciones o alternativas a la relatividad general: puesto que muchas de las pruebas de la existencia de materia oscura presuponen la RG, una teoría alternativa de la gravedad podría dejar obsoleta la DM. A efectos de esta pregunta, quiero mantener el supuesto de que la RG es correcta. El otro enfoque es cuestionar la parte fría del MDL. Hay pruebas que descartan la materia oscura caliente (es decir, relativista), pero la llamada materia oscura "caliente" (WDM) es un área de investigación activa. También se habla de materia oscura autointeractiva (SIDM, es decir, acoplamientos de interacción dentro del sector oscuro). Hay una serie de trabajos que reclaman soluciones para el $\Lambda\rm CDM$ problemas en el marco de WDM o SIDM, o más conservadoramente la magnitud de los problemas puede al menos aliviarse con modelos alternativos de materia oscura.

Sin embargo, supongo que la comunidad científica no ha adoptado plenamente el MDL porque tiene problemas en otras áreas en las que el MDL está muy bien. ¿Cuáles son las observaciones que WDM/SIDM/otro MDL alternativo tienen problemas para explicar y que les impiden sustituir al MDL como modelo estándar de la cosmología? ¿O es que uno de estos modelos alternativos ya compite con el MDL y sólo necesitamos pruebas convincentes de que el MDT resuelve los problemas restantes del MDL antes de volver a escribir los libros de texto, por así decirlo?

Answer 1

Me topé con esta pregunta y pensé que le daría una oportunidad, espero que siga siendo relevante para usted. Lo que pasa con todas las cuestiones que usted cita es que tienen una solución dentro de $\Lambda$ CDM

1. El problema de Too Big to Fail Creo que este problema está sobrevalorado. Un par de semanas después de su publicación la gente ya había encontrado soluciones, incluso con nombres más pintorescos: Vera-Ciro et al. (2012) , Wang et al. (2012) , Brooks et al. (2012) ... y la lista continúa. La cuestión es que no es un problema irresoluble dentro de la lista de cosas que sabemos. Por ejemplo, las dos primeras referencias argumentan que el número de satélites masivos depende en gran medida de la masa del MW, que en realidad es un número bastante difícil de medir, por lo que mover la masa virial del MW al extremo inferior del espectro es perfectamente válido.

   También existen soluciones bariónicas al problema, basadas sobre todo en la retroalimentación. Pero el problema es el siguiente: si desechamos el MDL en favor del MDT, estas dos cosas (masa MW y retroalimentación) van a seguir estando ahí, el resultado es que vamos a sobrepasar el problema en la otra dirección. Ahora acabarás con el problema opuesto. Llamaré a este argumento (A1).

2. Problema cúspide-núcleo De nuevo, conocemos soluciones para este problema dentro $\Lambda$ CDM, un par de SN pueden causar mucho daño. Incluso con una historia de formación estelar modesta en una enana pobre en gas se puede esperar una modificación en la pendiente interna del halo oscuro anfitrión, p. ej. Breddels et al. 2015 . Nunca he probado esto por mi mismo, pero tengo la sensación de que si ejecutas una simulación con suficiente resolución para resolver pequeñas estructuras en WDM y añades retroalimentación de una manera auto consistente acabarás sin cúspides en absoluto. De nuevo se aplica (A1).

   Desafortunadamente, no creo que WHM sea lo suficientemente popular como para intentar este tipo de simulaciones con el nivel de detalle de digamos Ilustris

3. Problema del satélite perdido No creo que esto sea un problema en absoluto. Simplemente refleja la naturaleza de libre mercado de la física: las cosas grandes acaban siendo más grandes, las pequeñas... bueno. Se puede inventar una historia enrevesada sobre la forma en que la materia oscura podría afectar a este problema, pero al final una solución más simple funcionará mejor: el enfriamiento en halos pequeños es increíblemente ineficiente.

(...)

Me detendré aquí, pero creo que pueden ver el patrón. El enfriamiento es un problema real, la retroalimentación bariónica es real, las incertidumbres de masa son reales. Si solucionas todos los problemas que planteas sustituyendo CDM por WDM todos estos procesos seguirán ahí, afectando a cómo se forman las galaxias, y la solución que ofrece WDM ya no será válida.

Answer 2

La "C" de frío en lambda CDM es una falsa amiga de la "C" de frío en CDM en contraste con WDM (con "W" de cálido).

En el modelo CDM lambda, la materia oscura fría se define de forma más amplia para incluir cualquier materia oscura que no sea "caliente" (por ejemplo, materia oscura reliquia térmica que tenga una masa de partícula >> 1 eV), porque a efectos cosmológicos no se necesita una definición muy específica de materia oscura fría. La definición lambda CDM incluye tanto la WDM como la CDM.

En cambio, cuando se distingue entre modelos WDM y modelos CDM, WDM se refiere a partículas de materia oscura del orden de masas keV, mientras que CDM se refiere a partículas del orden de masas 1 GeV+. El modelo CDM lambda es agnóstico entre los modelos WDM y CDM.

Un modelo SIDM complicaría las matemáticas del modelo lambdaCDM sin mejorar su ajuste a los parámetros que este modelo describe, por lo que se rechaza por parsimonia hasta el momento en que WDM y CDM sean rechazados empíricamente, si es que alguna vez lo son.

Answer 3

Creo que tanto el MDL como el MDT tienen que ajustarse primero a la restricción impuesta por el Principio Cosmológico. Si no recuerdo mal, Einstein enunció este principio que puede encontrarse en el libro "The Principle of Relativity", Dover Publications, traducción inglesa publicada en 1952. Parafraseo su principio como...Los observables y objetos en el Universo pueden ser tratados como uniformemente distribuidos...vivimos en un sistema solar, dentro de una galaxia, que no tiene nada de especial. Se trata simplemente de una versión ampliada del útil punto de vista de Copérnico.

Hasta ahora CDM siempre se ha situado "por ahí" y "por allá". Nunca en nuestro sistema solar. Si se tiene en cuenta el Principio Cosmológico, entonces el centro de nuestra Tierra debería ser denso con CDM. No he leído tal afirmación por parte de los geólogos. He leído de tal afirmación de CDM residiendo en nuestro sol, en un artículo arXiv hace unos años. Entonces, ¿debería uno abandonar el Principio Cosmológico o la idea de WDM y CDM? Abrazar ambos conceptos no parece coherente con los datos.