Superfluid-Dunkle-Materie-Modell stößt bei Galaxienrotationskurven und Gravitationslinseneffekten auf Herausforderungen

Einleitung

Die Natur der Dunklen Materie bleibt eines der tiefgreifendsten Rätsel der modernen Physik. Während das Standardmodell der kalten Dunklen Materie (CDM) erfolgreich darin war, großräumige kosmische Strukturen zu erklären, stößt es bei der Beschreibung der Dynamik einzelner Galaxien auf Schwierigkeiten. Alternative Modelle, wie das Superfluid-Dunkle-Materie (SFDM)-Modell, wurden vorgeschlagen, um diese Diskrepanzen zu beheben, indem sie Aspekte der Dunklen Materie mit modifizierter newtonscher Dynamik (MOND) kombinieren. SFDM postuliert, dass Dunkle Materie aus einem leichten Skalarfeld besteht, das zu einem Supraleiter kondensieren kann und eine Kraft vermittelt, die der von MOND ähnelt. Diese Studie untersucht das SFDM-Modell, indem sie seine Vorhersagen mit den Rotationskurven von 169 Galaxien aus der Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves (SPARC)-Stichprobe abgleicht. Die Forscher zielten darauf ab, zu bewerten, wie gut SFDM zu den beobachteten Daten passt und ob es mit Erwartungen hinsichtlich Sternmassen-Lichtverhältnissen und MOND-ähnlichem Verhalten übereinstimmt.

Testen des Superfluid-Dunkle-Materie-Modells

Die Forscher passten das SFDM-Modell an die Rotationskurven von 169 Galaxien aus der SPARC-Stichprobe an und betrachteten das Sternmassen-Lichtverhältnis als zu bestimmenden Parameter. Dieser Ansatz ermöglichte es ihnen, die Leistung des Modells bei der Reproduktion der beobachteten Rotationsgeschwindigkeiten von Galaxien zu bewerten. Das SFDM-Modell selbst ist komplex und beinhaltet vier Parameter, die auf fiduzielle Werte aus früheren Forschungen fixiert wurden. Die Gesamtbeschleunigung im supraleitenden Kern einer Galaxie ist eine Kombination von Kräften, die aus dem Phononenfeld, der eigenen Gravitation des Supraleiters und der Masse der Baryonen entstehen. Ein wichtiger Aspekt von SFDM ist sein Potenzial, MOND nachzuahmen, insbesondere im "MOND-Limit", wo eine bestimmte Größe, ε*, viel kleiner als eins ist. In diesem Limit ähnelt die Phononen-Kraft eng der von MOND vorgeschlagenen modifizierten Gravitationskraft.

Ergebnisse zu Sternmassen-Lichtverhältnissen

Eine primäre Erkenntnis der Studie betrifft die aus den SFDM-Anpassungen abgeleiteten Sternmassen-Lichtverhältnisse (M/L*). Während das SFDM-Modell im Allgemeinen akzeptable M/L*-Werte lieferte, trat ein signifikantes Problem auf: Diese besten M/L*-Anpassungswerte zeigten eine unnatürliche Abhängigkeit von der Galaxiengröße. Riesige Galaxien ergaben durchweg niedrigere M/L*-Verhältnisse als Zwerggalaxien. Dieser Trend ist problematisch, da Sternpopulations-Synthese (SPS)-Modelle, die M/L* basierend auf Sternenzusammensetzung und Alter vorhersagen, im Allgemeinen erwarten, dass M/L* mit der Galaxienmasse zunimmt und nicht abnimmt. Die Studie fand auch heraus, dass SFDM-Anpassungen oft in einem Bereich stattfanden, in dem die Kraft des Modells von MOND abweicht, es sei denn, eine spezifische Randbedingung wird für jede Galaxie angepasst. Wenn diese Anpassung vorgenommen wird, verliert SFDM einen seiner Hauptvorteile gegenüber Standardmodellen der Dunklen Materie. Umgekehrt, wenn die Anpassungen MOND gut annähern sollen, gerät die Gesamtmasse der supraleitenden Dunklen Materie in Spannung mit Daten aus Gravitationslinseneffekten.

Konflikt mit Gravitationslinsendaten

Die Forschung hob auch eine signifikante Spannung zwischen dem SFDM-Modell und Gravitationslinsenbeobachtungen hervor, insbesondere wenn das Modell so eingeschränkt wird, dass es sich wie MOND verhält. Gravitationslinseneffekte untersuchen die gesamte Massenverteilung in Galaxien, einschließlich der Dunklen Materie. Wenn SFDM in seinen MOND-ähnlichen Bereich gezwungen wird (d. h. das eigentliche MOND-Limit), wird die resultierende Gesamtmasse der Dunklen Materie als erheblich kleiner befunden, als zur Erklärung starker Linseneffekte erforderlich ist. Diese Diskrepanz ist gravierend: Bei großen Galaxien beträgt das Verhältnis von Dunkle-Materie-Masse zu Baryonenmasse im MOND-Limit von SFDM weniger als 10, während Analysen von starken Linseneffekten Verhältnisse von 1000 oder höher nahelegen. Selbst wenn ein "Pseudo-MOND-Limit" zugelassen wird, bei dem die Kraft des Modells leicht von MOND abweicht, reichen die Massen der Dunklen Materie nicht aus, um mit Linsendaten übereinzustimmen. Das Zwei-Feld-SFDM-Modell, eine alternative Formulierung, steht ebenfalls vor Herausforderungen, bietet aber eine bessere Übereinstimmung mit MOND-ähnlichem Verhalten. Obwohl es in einigen Fällen größere Massen an Dunkler Materie zulassen kann, hat es immer noch Schwierigkeiten, sowohl Rotationskurven- als auch Linseneinschränkungen gleichzeitig zu erfüllen.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese umfassende Analyse des Superfluid-Dunkle-Materie-Modells, angewendet auf Galaxienrotationskurven, signifikante Herausforderungen aufzeigt. Die Vorhersagen des Modells für Sternmassen-Lichtverhältnisse zeigen einen unnatürlichen Trend mit der Galaxiengröße, was im Widerspruch zu Erwartungen aus Sternpopulations-Synthese steht. Darüber hinaus scheitert SFDM, wenn es gezwungen wird, MOND zu imitieren, daran, genügend Dunkle-Materie-Masse zur Erklärung starker Gravitationslinsenbeobachtungen bereitzustellen. Diese Ergebnisse legen nahe, dass SFDM zwar eine faszinierende Alternative zu Standardmodellen der Dunklen Materie darstellt, aber weiterer Verfeinerung bedarf, um diese kritischen Diskrepanzen zu lösen und sich vollständig mit beobachteten Daten über verschiedene astrophysikalische Skalen hinweg zu vereinbaren.

Original source: "https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2022/08/aa43216-22/aa43216-22.html"