Wenn Dunkle Materie keine kinetische Energie verlieren kann, warum bewegt sie sich dann nicht mit relativistischen Geschwindigkeiten?

Wenn Dunkle Materie aus Teilchen besteht, die sich sehr früh thermisch vom Rest des Universums entkoppelt haben, dann war ihre Impulsverteilung in Bezug auf das mitbewegte Bezugssystem zu diesem Zeitpunkt festgelegt.

Wenn sich das Universum ausdehnt, nimmt die charakteristische absolute Skala dieser Impulsverteilung mit zunehmender Skalenlänge ab.

Eine Möglichkeit, darüber nachzudenken, ist die De-Broglie-Wellenlänge eines Teilchens$\lambda = h/p$, wird durch die universelle Ausdehnung genauso gedehnt wie die Wellenlänge des Lichts. Daher der Effektivwert$p$(bezüglich des mitbewegten Bezugssystems) abnimmt und die Teilchen nicht-relativistisch werden.

Das ist jetzt eine interessante Frage. Und um ehrlich zu sein, wie bei so vielen Dingen über die Eigenschaften der Dunklen Materie kennen wir die Antwort noch nicht.

Erstens ist es nicht richtig, dass "dunkle Materie keine kinetische Energie verlieren kann". Wir hätten keine Galaxien, wenn das der Fall wäre. Eine Population dunkler Materie kann durch gravitative Drei-Körper-Wechselwirkungen abkühlen. Sie kennen diese von Raumsonden, die Planeten anfliegen, typischerweise um ihre kinetische Energie zu erhöhen, oder wenn Sie zu den inneren Planeten reisen, auch um kinetische Energie auf Kosten oder Gewinn der kinetischen Energie des dritten Körpers abzugeben. So kühlen Halos aus dunkler Materie ab und verklumpen, was wiederum die Entstehung der uns allen so ans Herz gewachsenen baryonischen Scheiben stabilisiert. Dieser Prozess ist nicht so effizient beim Abgeben kinetischer Energie wie zB Reibung, also sind Halos aus dunkler Materie sehr aufgebläht und wir sollten keine Scheiben aus dunkler Materie oder Sterne aus dunkler Materie erwarten, aber nichtsdestotrotz existiert der Prozess.

In der Tat wissen wir, wie Sie sagen, aus der Strukturbildung, dass dunkle Materie nicht relativistisch (auch bekannt als "kalt") ist und daher die Strukturen erklärt, die wir im Universum beobachten. Ihre Frage ist, warum das so ist, und wir wissen es nicht, weil wir nicht wissen, wie dunkle Materie entstanden ist. Normalerweise wird dies umgekehrt verstanden: Wir wissen, dass Dunkle Materie nicht relativistisch ist, und wir verwenden dies, um alle Arten von Modellen und Produktionsmechanismen für Dunkle Materie auszusondern, die damit nicht übereinstimmen.

Die beiden beliebtesten Produktionsmechanismen, die nicht-relativistische dunkle Materie produzieren, sind massive „thermische Relikt“-Partikel und der „Fehlausrichtungsmechanismus“. Thermische Relikte sind alle Teilchen, die sich irgendwann in der Vergangenheit im Gleichgewicht mit dem restlichen Plasma des Universums befanden. Protonen und Neutronen sind ein bekanntes Beispiel. WIMP dunkle Materie ist das berühmteste hypothetische Beispiel. Thermische Relikte haben per Definition irgendwann eine Maxwell-Boltzmann-Geschwindigkeitsverteilung. Wenn sich das Universum abkühlt, wird es rotverschoben, wodurch Sie mit nicht-relativistischer dunkler Materie zurückbleiben. Auch hier machen Protonen und Neutronen dasselbe. Dies funktioniert gut für dunkle Materie, die massiver ist als einige wenige Protonenmassen. Das wiederum schließt zB Neutrinos als Kandidaten für Dunkle Materie aus, da sie zu leicht sind und sich relativistisch bewegen würden.

Der andere beispielhafte Mechanismus, Fehlausrichtung, wird angeführt, um zu erklären, warum Axion-Dunkelmaterie nicht relativistisch wäre. Axionen sind extrem leicht, aber wenn Ihr Modell verhindert, dass sie jemals im thermischen Gleichgewicht sind (weil sie zu schwach interagieren), dann wird ihre Geschwindigkeitsverteilung durch ihren Produktionsmechanismus festgelegt. Wenn Sie einen Weg finden, sie nahe an ihrer quantenmechanischen Nullpunktsenergie zu erzeugen, dann ist das nicht relativistisch und entspricht somit der Beobachtung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich langsam bewegende dunkle Materie eine Beobachtungstatsache ist, die von jedem Modell erklärt werden muss, das versucht, die Natur dunkler Materie zu beschreiben, und dies schränkt in der Tat die Möglichkeiten für Modellbauer ein.

Es verliert Energie, wenn sich das Universum ausdehnt, genauso wie ein Gas sich abkühlt, wenn es sich ausdehnt. Dasselbe geschah mit der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (CMB), weshalb ihre effektive Temperatur nur wenige Kelvin beträgt, obwohl das Universum etwa 3000 K hatte, als dieses Licht während des Urknalls zum ersten Mal emittiert wurde (in einem Moment, der als „Rekombination“ bezeichnet wird ').

Um eine etwas detailliertere Antwort zu geben: In einem expandierenden Universum wird alles von allem anderen weggedrückt, und je weiter zwei Objekte entfernt sind, desto schneller bewegen sie sich auseinander. Dies neigt dazu, die relativen Geschwindigkeiten von Partikeln zu verringern. Wenn Sie sich beispielsweise mit einer Kugel aus Staubpartikeln umgeben, werden diese allmählich von Ihnen weg beschleunigt. Daher werden alle Partikel, die sich auf Sie zu bewegen, langsamer (und es sind die Partikel, die sich auf Sie zu bewegen, die Sie messen, wenn Sie die Temperatur messen).