從相對論角度探討宇宙學中的非相對論超流體：重新審視超流體的兩種表述

核心概念

本文旨在彌合廣義相對論超流體有效場描述與宇宙學中常用的自引力非相對論描述之間的文獻空白，展示了如何從相對論有效場論的非相對論極限中恢復 Landau 的雙流體模型。

摘要

標題：從相對論角度探討宇宙學中的非相對論超流體：重新審視超流體的兩種表述
作者：Aline Favero 和 Heliudson Bernardo
發表日期：2024 年 10 月 23 日
來源：arXiv.org

本研究旨在探討如何從相對論有效場論的非相對論極限中恢復 Landau 的雙流體模型，並探討如何在彎曲時空中從相對論方法的牛頓極限中獲得自引力、非相對論超流體。

從以下內容提煉的關鍵洞見

Nonrelativistic superfluids in cosmology from a relativistic approach: Revisiting two formulations of superfluidity

by Aline Favero... 於 arxiv.org 10-25-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.18214.pdf

深入探究

除了超流體暗物質模型，還有哪些其他的暗物質模型可以解釋星系尺度上的差異？

除了超流體暗物質（SFDM）模型，還有許多其他的暗物質模型試圖解釋在星系尺度上觀測到的與ΛCDM模型的差異，以下列舉幾種：

溫暗物質 (WDM)：與冷暗物質不同，溫暗物質假設暗物質粒子具有較高的動能，這將抑制小尺度結構的形成，從而緩解星系尺度上的差異。常見的溫暗物質候選者包括惰性微中子 (sterile neutrino) 和重力微子 (gravitino)。
自交互作用暗物質 (SIDM)：此模型假設暗物質粒子之間存在非引力相互作用。這種自交互作用可以導致暗物質暈的中心區域更加平滑，從而解決星系核心的密度分布問題。
模糊暗物質 (FDM)：模糊暗物質模型假設暗物質是由極輕的玻色子組成，例如具有極小質量的軸子 (axion)。這些粒子的德布羅意波長 (de Broglie wavelength) 很長，會抑制小尺度結構的形成，並可能產生與超流體暗物質類似的效應。
修正引力理論 (MOND)：與假設新形式的暗物質不同，MOND理論試圖修改牛頓引力定律，使其在星系尺度上表現不同。儘管MOND可以很好地擬合星系旋轉曲線，但它難以解釋宇宙學尺度上的觀測結果。
需要注意的是，目前沒有一個暗物質模型可以完美地解釋所有觀測結果，暗物質的本質仍然是一個未解之謎。

該文假設超流體暗物質是由玻色-愛因斯坦凝聚態組成，是否有可能存在其他的物質狀態可以形成超流體暗物質？

雖然該文主要關注由玻色-愛因斯坦凝聚態（BEC）形成的超流體暗物質，但理論上，其他物質狀態也可能形成超流體暗物質。

費米子超流體: 費米子，例如夸克，可以通過形成庫柏對 (Cooper pairs) 來實現超流體狀態。這些庫柏對表現得像玻色子，並可能凝聚成 BEC。 中子星內部的中子超流體就是一個例子。
非阿貝爾規範場: 某些理論預測了非阿貝爾規範場可以形成超流體狀態，例如色超導性 (color superconductivity) ，它被認為可能存在於夸克物質中。
然而，這些其他的物質狀態是否能夠形成符合天文觀測的超流體暗物質，還需要進一步的研究。例如，費米子超流體通常需要較低的溫度和較高的密度，這與我們對暗物質的理解可能不符。

如果超流體暗物質確實存在，它將如何影響宇宙的大尺度結構和星系的形成？

如果超流體暗物質確實存在，它將對宇宙的大尺度結構和星系的形成產生重要影響：

抑制小尺度結構形成: 超流體暗物質的特性，例如其特有的聲速和黏度，會抑制小尺度結構（如矮星系）的形成。這與觀測到的宇宙中矮星系數量少於 ΛCDM 模型預測的結果相符。
影響星系暈的密度分布: 超流體暗物質會在星系中心形成一個密度較低的核，並可能影響星系暈的整體形狀，使其更加平滑，這與某些觀測結果相符。
與重子物質相互作用: 超流體暗物質中的聲子可以與重子物質相互作用，並可能影響星系中的恆星形成和動力學。例如，這種相互作用可能會產生類似 MOND 的效應，從而解釋星系旋轉曲線。
總體而言，超流體暗物質為解決 ΛCDM 模型在星系尺度上的問題提供了一種可能的途徑。然而，要完全理解超流體暗物質對宇宙結構形成的影響，還需要更深入的研究和更精確的數值模擬。