Барионная и небарионная скрытая масса

[Anton_Peplov]

1. Что-то есть. Астрономические наблюдения убедительно показывают, что либо в галактиках и их скоплениях много массы, не наблюдающейся ни в какие телескопы либо одно из двух , либо надо модифицировать закон всемирного тяготения.

2. Почему это материя. Мейнстримом среди физиков является мнение, что закон всемирного тяготения просто так не модифицируешь, поскольку новая формула должна удовлетворять, помимо наблюдательных фактов, куче теоретических ограничений. Другими словами, поле должно соответствовать всему тому, что мы сейчас знаем про физические поля: описываться тензором соответствующего ранга и т.д. и т.п., я сам всех этих заклинаний не знаю. Эти требования взяты не с потолка, это обобщение всех накопленных физикой знаний, и от него так просто не откажешься. Придумать невидимую материю гораздо проще.

Пока вроде всё правильно?
Тогда вопрос.

3. Почему небарионная? Я слышал, что это результат подгонки космологических моделей под наблюдения флуктуаций реликтового излучения. Однако не понял, что именно утверждается:
1. Суммарная масса барионов во Вселенной слишком мала. Это не зависит от того, какие механизмы образования гравитационно связанных систем мы ещё откроем.
2. Судя по известным механизмам образования гравитационно связанных систем, средней плотности барионов не хватит, чтобы они образовали всю нужную тёмную материю в галактиках и их скоплениях. Но, если мы откроем новые механизмы образования "сгустков", это утверждение можно будет пересмотреть.
3. Ещё что-то?

Я к чему спрашиваю. Вот тут (Physical Review Letters) описан гипотетический новый механизм образования первичных чёрных дыр, и авторы, кажется, утверждают, что их хватит на тёмную материю. А ещё в последние годы открывают всё больше экстремально далёких, но зрелых объектов, таких как галактики со звёздами как минимум второго поколения (релиз ESO), сталкивающиеся галактики (релиз ESO), да и просто квазаров, связанных, как известно, со сверхмассивными чёрными дырами (Nature). И специалисты высказывают (по крайней мере, "на камеру") удивление по поводу того, когда оно всё успело вырасти в столь юной Вселенной. Видимо, какие-то модели роста придётся пересмотреть. Могут ли подобные соображения поколебать уверенность в том, что барионной материи не хватит, или это всё мимо кассы?

И, шире, что вообще может поколебать такую уверенность? Вот, например, тот факт, что измерения постоянной Хаббла по данным "Планка" и оптическим наблюдениям никак не сходятся между собой (релиз), может иметь значение?

[Pphantom]

Это все в результате зачастую кривой популяризации стало восприниматься как нечто надежно установленное, а на самом деле "дыр" и возможностей для маневра тут еще очень много. По крайней мере, вот тут:

Anton_Peplov в сообщении #1335721 писал(а):

Я слышал, что это результат подгонки космологических моделей под наблюдения флуктуаций реликтового излучения.

Anton_Peplov в сообщении #1335721 писал(а):

Видимо, какие-то модели роста придётся пересмотреть. Могут ли подобные соображения поколебать уверенность в том, что барионной материи не хватит, или это всё мимо кассы?

Соответственно, такой уверенности просто нет. Да и толком не было.

[Anton_Peplov]

Pphantom в сообщении #1335736 писал(а):

Это все в результате зачастую кривой популяризации стало восприниматься как нечто надежно установленное, а на самом деле "дыр" и возможностей для маневра тут еще очень много.

Во избежание недоразумений.
К каким из трёх пунтктов

Anton_Peplov в сообщении #1335721 писал(а):

1. Что-то есть

Anton_Peplov в сообщении #1335721 писал(а):

2. Почему это материя

Anton_Peplov в сообщении #1335721 писал(а):

3. Почему небарионная?

относится эта фраза?

[Munin]

Anton_Peplov в сообщении #1335721 писал(а):

2. Почему это материя. Мейнстримом среди физиков является мнение

Беда в том, что и астрономически "модификация закона тяготения" не проходит. При такой модификации, тяготение должно было бы быть однозначно связано с видимыми массами (не важно, по какому закону, важно что однозначно), а этого не наблюдается. В одних галактиках "тёмного вещества" много, в других - мало; распределено оно тоже по-разному.

Anton_Peplov в сообщении #1335721 писал(а):

поскольку новая формула должна удовлетворять, помимо наблюдательных фактов, куче теоретических ограничений. Другими словами, поле должно соответствовать всему тому, что мы сейчас знаем про физические поля: описываться тензором соответствующего ранга и т.д. и т.п., я сам всех этих заклинаний не знаю. Эти требования взяты не с потолка, это обобщение всех накопленных физикой знаний, и от него так просто не откажешься. Придумать невидимую материю гораздо проще.

Тут надо подчеркнуть, что физики придумывают не просто "невидимую материю". Придумываются конкретные частицы - WIMPs - которые тоже удовлетворяют всем этим теоретическим ограничениям. Просто за полвека развития физики элементарных частиц было придумано много частиц (теоретических моделей), которых в эксперименте нет, но которые в принципе могли бы быть. И теперь ищут именно такие частицы (а не абы какую "невидимую материю").
https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_particles#Hypothetical_particles
https://en.wikipedia.org/wiki/Weakly_interacting_massive_particles

Anton_Peplov в сообщении #1335721 писал(а):

3. Почему небарионная? Я слышал, что это результат подгонки космологических моделей под наблюдения флуктуаций реликтового излучения. Однако не понял, что именно утверждается:
1. Суммарная масса барионов во Вселенной слишком мала. Это не зависит от того, какие механизмы образования гравитационно связанных систем мы ещё откроем.

Да, именно это.

Единственная "дырка" - это первичные чёрные дыры, "спрятавшие" в себе какую-то массу барионов ещё до эпох нуклеосинтеза и возникновения реликтового излучения. Но их сейчас "барионными" и не называют. И на них наложены слишком сильные ограничения и по расчётам, и по наблюдениям, так что они не годятся на "тёмное вещество".

Anton_Peplov в сообщении #1335721 писал(а):

Я к чему спрашиваю. Вот тут (Physical Review Letters) описан гипотетический новый механизм

Не стоит бросаться на каждую новую публикацию. Это болезнь. Надо подождать, и посмотреть, какую реакцию она вызовет (или не вызовет вообще) в научном сообществе. Вообще, научные публикации - для учёных. Неспециалисты не могут оценить, насколько они важны и правдоподобны. (Сейчас появилась вредная мода к каждой публикации добавлять пресс-релиз для обычных СМИ - их стоит рассматривать только как регулярные отчёты "учёные тут трудятся".)

Anton_Peplov в сообщении #1335721 писал(а):

А ещё в последние годы открывают всё больше экстремально далёких, но зрелых объектов, таких как галактики со звёздами как минимум второго поколения (релиз ESO), сталкивающиеся галактики (релиз ESO), да и просто квазаров, связанных, как известно, со сверхмассивными чёрными дырами (Nature). И специалисты высказывают (по крайней мере, "на камеру") удивление по поводу того, когда оно всё успело вырасти в столь юной Вселенной.

Это всё
1. Не имеет никакого отношения к вопросу о количестве небарионной DM.
2. Является более узкими вопросами раннего рождения галактик и раннего рождения звёзд. Они сейчас активно исследуются. Какое-то "удивление" в любой исследуемой области - норма, а вот "на камеру" - это пиар и бог им судья.

Anton_Peplov в сообщении #1335721 писал(а):

Могут ли подобные соображения поколебать уверенность в том, что барионной материи не хватит, или это всё мимо кассы? И, шире, что вообще может поколебать такую уверенность?

Все последние наблюдения (несколько десятилетий, >2) демонстрируют обратную тенденцию: барионного вещества не хватает всё сильнее и сильнее; роль небарионной DM раньше недооценивалась, а чем лучше её учитывают в моделях, тем больше модели похожи на реальность. (Впрочем, модели "только DM" тоже были не очень хороши, и стали лучше от добавления барионного вещества и даже пыли-звёзд.)

[Pphantom]

В общем-то ко всей совокупности в целом, но, пожалуй, самое слабое место - это интерпретация данных по анизотропии.

Существование вещества, не наблюдаемого (не принципиально, а конкретно к сему моменту с имеющимися возможностями) в разных диапазонах ЭМИ - надежно установленный факт, но вот оценки его количества уже могут быть достаточно спорными. Закон всемирного тяготения - наверное, самое надежное, что есть (правда, и тут тоже есть альтернативные точки зрения - MOND и т.п.). А вот небарионность в очень большой степени вилами на воде писана, поскольку этот результат сильнейшим образом зависит от многочисленных не слишком надежных предположений, делающихся при обработке данных по анизотропии (более того, примерно во времена WMAP эти результаты очень сильно трясло - были случаи, когда предположения, какое-то время казавшиеся всем надежными, практически полностью "закрывались").

[Munin]

Pphantom в сообщении #1335736 писал(а):

Это все в результате зачастую кривой популяризации стало восприниматься как нечто надежно установленное, а на самом деле "дыр" и возможностей для маневра тут еще очень много. По крайней мере, вот тут:

Anton_Peplov в сообщении #1335721 писал(а):

Я слышал, что это результат подгонки космологических моделей под наблюдения флуктуаций реликтового излучения.

Надо всё-таки иметь в виду, что здесь "возможности для манёвра" стремительно сужаются. В эпоху данных WMAP их было существенно больше, чем сейчас, в эпоху данных Planck.

Рекомендую видео-лекции Олега Верходанова на YouTube по анализу данных Planck и соответствующим выводам для космологии.

-- 31.08.2018 13:20:35 --

Pphantom в сообщении #1335752 писал(а):

А вот небарионность в очень большой степени вилами на воде писана, поскольку этот результат сильнейшим образом зависит от многочисленных не слишком надежных предположений

А ещё, пгостите, от нуклеосинтеза, который самое надёжное, что есть вообще в теории ранней Вселенной ("теории Большого Взрыва").

[Anton_Peplov]

Munin в сообщении #1335751 писал(а):

И на них наложены слишком сильные ограничения и по расчётам, и по наблюдениям, так что они не годятся на "тёмное вещество".

Про ограничения по наблюдениям можно в двух словах?

[Munin]

Кажется, речь шла об оценках, с какой частотой они должны взрываться. Может быть - скапливаться в шаровых звёздных скоплениях и ядрах галактик. Каюсь, здесь я почти не в курсе.

Под "расчётными" я подразумевал ограничения из соображений, когда и при каких флуктуациях первичного вещества они должны возникать. Эти флуктуации сначала были совершенно неизвестны (тогда и возникла концепция первичных чёрных дыр), а потом стало ясно, что они достаточно хорошо оцениваются и рассчитываются (практически напрямую видны в анизотропии реликта, хотя сильно другой участок спектра - но очень хорошо ложащийся на естественные модели), и тогда первичных чёрных дыр стало сильно "не хватать".

[Anton_Peplov]

Munin в сообщении #1335764 писал(а):

Кажется, речь шла об оценках, с какой частотой они должны взрываться.

Взрываться? Чёрные дыры? А как они это делают?

[arseniiv]

Ну, это то самое излучение, о котором вы точно слышали. Так как температура чёрной дыры возрастает с её уменьшением, конец должен быть очень эффектным.

[Anton_Peplov]

arseniiv в сообщении #1335773 писал(а):

Ну, это то самое излучение, о котором вы точно слышали. Так как температура чёрной дыры возрастает с её уменьшением, конец должен быть очень эффектным.

А. Вот оно что.

-- 31.08.2018, 14:38 --

Anton_Peplov в сообщении #1335721 писал(а):

и авторы, кажется, утверждают, что их хватит на тёмную материю.

Кстати, нет, не утверждают. Это я перевёл неправильно. Но если взглянуть на графики, становится понятно, что доля в скрытой массе "добавочных" первичных ЧД, обусловленных предсказанным эффектом, меньше процента.

[Munin]

Anton_Peplov в сообщении #1335758 писал(а):

Про ограничения по наблюдениям можно в двух словах?

Как раз на эту тему:

С. Попов. Первичные чёрные дыры.
https://www.youtube.com/watch?v=NhvK1oOLs_E (видео 21 минута)
(Канал НаукаPRO)

[Anton_Peplov]

О, спасибо!
На выходных постараюсь найти время.

[NikolayPrimachenko]

Munin в сообщении #1335751 писал(а):

Беда в том, что и астрономически "модификация закона тяготения" не проходит. При такой модификации, тяготение должно было бы быть однозначно связано с видимыми массами (не важно, по какому закону, важно что однозначно), а этого не наблюдается. В одних галактиках "тёмного вещества" много, в других - мало; распределено оно тоже по-разному.

Здесь дело обстоит в точностью наоборот. Ускорение в галактиках однозначно связано с видимыми массами. Под словом "однозначно" имеется в виду, конечно, маленькое отклонение наблюдаемых данных от обнаруженной усредненной эмпирической зависимости.

Наблюдаемое ускорение $g_{obs}$ является функцией от предсказываемого ньютоновской динамикой ускорения $g_{bar}$, которая является функцией наблюдаемой, барионной массы.

$$g_{obs} = \frac{g_{bar}}{1-e^{-\sqrt{g_{bar}/g_{\dagger}}}}.$$

$g_{\dagger}$ --- это масштаб ускорения, единственный в этой формуле подгоночный параметр. $g_{\dagger} = 1.20 \pm 0.26 \times 10^{-10}\;m\,s^{-2}.$ Погрешность в основном возникает из-за неизбежной ошибки в величине $\Upsilon_{\star}$, с помощью которой переводят наблюдаемую светимость в массу.

Отклонение наблюдаемых данных от этой зависимости маленькое. Как пишут об этом ученые, работающие в парадигме темной материи:

Keller and Wadsley в arXiv:1610.06183 (2016) писал(а):

In addition to the simple functional form, McGaugh et al. (2016) find a surprisingly low scatter in this relation, with residuals normally distributed with $\sigma = 0.11$ dex.

(dex. -- это отклонение по порядку величины.)

Отсюда следует, что добавочное ускорение $g_{DM}$, которое должна создавать темная материя, однозначно, функционально связано с видимой массой:

$$g_{DM} = g_{obs} - g_{bar} = \frac{g_{bar}}{e^{\sqrt{g_{bar}/g_{\dagger}}} -1}.$$

Если темная материя есть, то она должна быть распределена в галактиках не случайно, а в зависимости от барионной массы. И это серьезный вопрос для астрофизиков-космологов, которые работают в парадигме темной материи.

Обнаруженная эмпирическая закономерность соответствует зависимости, которую предсказывает уже упомянутая в теме MOND. Но даже если MOND неверна, любая верная теория должна предсказать именно такую зависимость. Сама зависимость обнаружена давно, еще в конце 1970 -- начале 1980-х (Baryonic Tully–Fisher relation) для хорошо изученных тогда типов галактик. Затем та же MONDовская зависимость была обнаружена и у галактик с низкой поверхностной яркостью. В 2000-х более точные исследования проведены на космическом телескопе "Спитцер" в инфракрасной области.

McGaugh et al. в arXiv:1609.05917 (2016) писал(а):

[T]he one-to-one correspondence between $g_{bar}$ and $g_{obs}$ suggests that the baryons are the source of the gravitational potential. In this case, one might alter the laws of dynamics rather than invoke dark matter. Indeed, our results were anticipated over three decades ago by MOND. Whether this is a situation in which it would be necessary to invent MOND if it did not already exist is worthy of contemplation.

In MOND, eq. 4 is related to the MOND interpolation function. However, we should be careful not to confuse data with theory. Equation 4 provides a convenient description of the data irrespective of MOND.

Regardless of its theoretical basis, the radial acceleration relation exists as an empirical relation. The acceleration scale $g_{\dagger}$ is in the data. The observed coupling between $g_{obs}$ and $g_{bar}$ demands a satisfactory explanation. The radial acceleration relation appears to be a law of nature, a sort of Kepler's law for rotating galaxies.

Упомянутая выше статья Keller and Wadsley, arXiv:1610.06183 (2016) -- это пример того, как астрофизики, работающие в парадигме "темной материи", ищут ответ на вопрос об однозначной зависимости между темной и барионной материей. Авторы моделируют образование галактик на компьютере, вводя в модель дополнительные связи. В первоначальном названии статьи авторами подчеркнута (с юморком) ее анти-MONDовская направленность: La Fin du MOND? ΛCDM is Fully Consistent with SPARC. (SPARC -- это те самые данные со Спитцера.)

Критика статьи "La Fin du MOND?" от автора MOND: Milgrom, arXiv:1610.07538 (2016). Некоторые пункты этой критики:

1. Моделировалось образование только массивных галактики. Не моделировались галактики с низкой поверхностной яркостью, для которых отклонение от ньютоновской динамики максимально.
2. Часть моделируемых образцов (в первой версии статьи -- половина, 9 из 18), хотя и укладывается на кривую, очень не похожа на реально наблюдаемые галактики по другим параметрам: скорости вращения компьютерных "галактик" спадают быстрее, чем у таких же по массе реальных галактик. (Из 1-го и 2-го пунктов следует, что нельзя говорить, что ΛCDM is fully consistent with SPARC.)
3. Компьютерные модели эволюции галактик, моделируют процессы не напрямую из теории. Напрямую -- это слишком сложно. Используются эвристики и приближения. Фактически в таких моделях существует множество подгоночных параметров, которые позволяют "подогнать решение под ответ". Здесь Милгрома смущает, в том числе, что в моделировании найденная эмпирическая зависимость удерживается только в текущую эпоху. В прошлом и будущем она, если верить компьютерной модели, была и будет другой. (В MOND она постоянна.) Неточные модели точно предсказывают мгновенное текущее состояние меняющейся во времени зависимости -- это вызывает у Милгрома настороженность.

Это некоторые пункты критики первой версии статьи "La Fin du MOND?". В текущей, третьей версии у статьи "La Fin du MOND?" изменилось название на более нейтральное, осторожное и скромное "ΛCDM is Consistent with SPARC Radial Acceleration Relation", добавились 14 галактик, но, насколько я понимаю, основные пункты критики приложимы и к ней.

[Munin]

Пусть отвечает кто-то другой. Pphantom, например. Я пас.