Kaut arī lielākā daļa tumšās matērijas galaktikā pastāv plašā haloē, kas mūs apņem, katra atsevišķā tumšās vielas daļiņa gravitācijas ietekmē veido eliptisku orbītu. Ja tumšā matērija ir pati tās daļiņa, un mēs iemācāmies to izmantot, tā var būt galvenais bezmaksas enerģijas avots. (ESO / L. Calçada)

Pajautājiet Etānam: vai tumšā matērija vispār nevarētu būt daļiņa?

Mēs vienmēr pieņemam, ka tumšā matērija ir balstīta uz daļiņām, un mums vienkārši jāatrod, kura daļiņa tā ir. Bet ko tad, ja tas tā nav?

Viss, ko mēs jebkad esam atklājuši Visumā, sākot ar matēriju un beidzot ar radiāciju, var tikt sadalīts tā mazākajās sastāvdaļās. Viss šajā pasaulē ir izgatavots no atomiem, kas ir izgatavoti no kodoliem un elektroniem, savukārt paši kodoli ir izgatavoti no kvarkiem un gluoniem. Pati gaisma ir veidota no daļiņām: fotoniem. Pat gravitācijas viļņi teorētiski ir izgatavoti no gravitoniem: daļiņām, kuras mēs kādreiz varētu radīt un atklāt. Bet kā ir ar tumšo matēriju? Netiešie pierādījumi par tā esamību ir milzīgi un milzīgi, bet vai tam arī jābūt daļiņai? Tas ir tas, ko vēlas zināt mūsu Patreon atbalstītājs Darren Redfern, jautājot:

Ja tumšo enerģiju var interpretēt kā enerģiju, kas raksturīga pašam kosmosa audumam, vai varētu būt arī iespējams, ka tas, ko mēs uztveram kā “tumšo vielu”, ir arī pašas telpas raksturīga funkcija - vai nu cieši, vai brīvi savienota ar tumšo enerģiju? Tas ir, tā vietā, lai tumšā matērija būtu daļiņveida, vai tā varētu visu kosmosu caurvīt ar (viendabīgiem vai neviendabīgiem) gravitācijas efektiem, kas izskaidrotu mūsu novērojumus - vairāk par “tumšo masu”?

Apskatīsim pierādījumus un redzēsim, ko tie mums saka par iespējām.

Kosmosa paplašināšanās (vai sašaurināšanās) ir nepieciešamas sekas Visumā, kas satur masas. Bet paplašināšanās ātrums un tā izturēšanās laika gaitā ir kvantitatīvi atkarīga no tā, kas atrodas jūsu Visumā. (NASA / WMAP zinātnes komanda)

Viena no visievērojamākajām Visuma iezīmēm ir viena pret otru saistība starp to, kas atrodas Visumā, un to, kā laika gaitā mainās izplešanās ātrums. Veicot rūpīgu daudzu atšķirīgu avotu, ieskaitot zvaigznes, galaktikas, supernovas, kosmiskā mikroviļņu fona un Visuma lielizmēra struktūras mērījumus, mēs esam spējuši izmērīt abus šos, nosakot, kāds ir mūsu Visuma veidojums no. Principā ir daudz dažādu lietu, kuras mēs varam iedomāties, ka mūsu Visums varētu būt izveidots, un tie visi atšķirīgi ietekmē kosmisko izplešanos.

Dažādas sastāvdaļas un Visuma enerģijas blīvuma veicinātāji, un kad tie varētu dominēt. Ja kosmiskās virknes vai domēna sienas pastāvētu kādā ievērojamā daudzumā, tās būtu ievērojami veicinājušas Visuma paplašināšanos. (E. Siegel / Aiz galaktikas)

Pateicoties pilnam mūsu datu komplektam, mēs tagad zinām, ka mēs esam izgatavoti no:

  • 68% tumšās enerģijas, kas saglabājas nemainīgā enerģijas blīvumā pat tad, ja pati telpa paplašinās,
  • 27% tumšās vielas, kurai ir gravitācijas spēks, atšķaida, palielinoties tilpumam, un nav izmērāmi mijiedarbībā ar citu zināmu spēku,
  • 4,9% normālas vielas, kas ietekmē visus spēkus, atšķaida, palielinoties tilpumam, salīp kopā un sastāv no daļiņām,
  • 0,1% neitrīno, kas ietekmē gravitācijas un vāju spēku, ir veidots no daļiņām un salīp kopā tikai tad, kad tie palēninās, lai izturētos kā matērija, nevis radiācija,
  • un 0,01% fotonu, kas rada gravitācijas un elektromagnētiskos spēkus, darbojas kā starojums un atšķaida, palielinoties abiem tilpumiem un izliekoties to viļņu garumam.

Laika gaitā šie dažādie komponenti kļūst relatīvi vairāk vai mazāk nozīmīgi, kur šie procenti atspoguļo to, kāds ir Visums no šodienas.

Šķietamā izplešanās ātruma (y ass) un attāluma (x ass) grafiks atbilst Visumam, kas pagātnē paplašinājās ātrāk, bet šodien turpina paplašināties. Šī ir moderna Habla oriģināldarba versija, kas tūkstošiem reižu ir plašāka. Dažādās līknes attēlo Visumus, kas izgatavoti no dažādām sastāvdaļām. (Neds Wright, pamatojoties uz jaunākajiem datiem no Betoule et al. (2014))

Tumšajai enerģijai no labākajiem mūsu mērījumiem šķiet vienāda vērtība un īpašības visās kosmosa vietās, visos debesu virzienos un visos mūsu kosmiskās vēstures brīžos. Citiem vārdiem sakot, tumšā enerģija šķiet viendabīga un izotropiska: visur un vienmēr tā ir vienāda. Kā arī mēs to zinām, tumšajā enerģijā nav jābūt daļiņai; tas var viegli būt īpašība, kas raksturīga pašam kosmosa audumam.

Bet tumšā viela ir fundamentāli atšķirīga.

Lielākajos mērogos to, kā galaktikas sagrupējas novērojami (zilā un purpursarkanā krāsā), nevar salīdzināt ar simulācijām (sarkanā krāsā), ja nav iekļauta tumšā matērija. (Žerārs Lemsons un Jaunavu konsorcijs ar datiem no SDSS, 2dFGRS un Tūkstošgades simulācijas)

Lai veidotu struktūru, kādu mēs redzam Visumā, it īpaši lielos, kosmiskos mērogos, tumšajai matērijai ir ne tikai jāpastāv, bet tai ir jākļūst kopā. Tam nevar būt vienāds blīvums visās kosmosa vietās; drīzāk tai jābūt koncentrētai pārslogotos reģionos, un tai jābūt blīvākai par vidējo blīvumu vai tai vispār nav jābūt pilnībā sastrēgumu reģionos. Faktiski no dažiem dažādiem novērojumu kopumiem mēs varam pateikt, cik liela ir kopējā matērija dažādos kosmosa reģionos. Turpmāk minētie ir trīs vissvarīgākie.

Liela mēroga klasterizācijas dati (punkti) un prognoze par Visumu ar 85% tumšās vielas un 15% no normālas vielas (cietā līnija) sakrīt neticami. Robežas trūkums norāda uz tumšās vielas temperatūru (un aukstumu); Parūku lielums norāda normālas vielas un tumšās vielas attiecību. (L. Andersons un citi (2012), par Sloan Digital Sky Survey)

1.) Materiālu enerģijas spektrs: kartējiet lietu Visumā, redziet, ar kādiem mēroga galaktikām ir korelācija - novērtējiet iespējamību atrast citu galaktiku noteiktā attālumā no tās, ar kuru sākat, un noformējiet to. Ja jums būtu Visums, kas būtu veidots no vienveidīgas matērijas, jūsu redzētā struktūra tiktu izsmērēta. Ja jums būtu Visums, kurā būtu tumšā matērija un kas neveidotos agri, mazo mērogu struktūra tiktu iznīcināta. Šīs matērijas jaudas spektrs mums māca, ka aptuveni 85% no Visuma matērijas ir tumšā matērija, kas pilnībā atšķiras no protoniem, neitroniem un elektroniem, un šī tumšā matērija radās aukstā temperatūrā vai ar nelielu kinētisko enerģiju, salīdzinot ar tā atpūtas masa.

Kopas Abell 370 masas sadalījums, kas rekonstruēts caur gravitācijas objektīvu, parāda divus lielus, difūzus masas halosus, kas saskan ar tumšo vielu ar divām apvienojošām kopām, lai izveidotu to, ko mēs redzam šeit. Apkārt un cauri visām galaktikām, kopām un masveida normālās vielas kolekcijai kopumā ir piecas reizes vairāk tumšās vielas. (NASA, ESA, D. Harvey (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Šveice), R. Massey (Durham University, UK), Habla SM4 ERO komanda un ST-ECF)

2.) Gravitācijas objektīvs: apskatiet masīvu objektu, piemēram, kvazāru, galaktiku vai galaktiku kopu, un apskatiet, kā fona gaisma tiek izkropļota tā klātbūtnes dēļ. Tā kā mēs saprotam gravitācijas likumus, kā tos regulē Einšteina vispārējā relativitāte, tas, kā gaisma liekas, ļauj mums secināt, cik liela masa ir katram objektam. Izmantojot daudzas citas metodes, mēs varam noteikt masas daudzumu, kas atrodas normālā matērijā: zvaigznes, gāze, putekļi, melnie caurumi, plazma utt. Atkal mēs secinām, ka vidēji 85% no esošajām vielām ir būt tumšai matērijai, un turklāt tas ir izkliedēts izkliedētākā, mākoņiem līdzīgā konfigurācijā nekā parasti. To apstiprina gan vājš, gan spēcīgs objektīvs.

CMB virsotņu struktūra mainās atkarībā no tā, kas atrodas Visumā. (W. Hu un S. Dodelson, Ann.Rev.Astron.Astrophys.40: 171–216,2002)

3.) Kosmiskā mikroviļņu fons: ja paskatās uz lielā sprādziena palikušo starojumu, jūs redzēsit, ka tas ir aptuveni vienmērīgs: 2,725 K visos virzienos. Bet, aplūkojot sīkāk, jūs redzēsit, ka desmitdaļu līdz simtu µK svaros un visos leņķa mērogos ir nelielas nepilnības. Šīs svārstības stāsta mums par daudz svarīgu lietu, ieskaitot parasto matēriju / tumšo vielu / tumšās enerģijas blīvumu, bet lielākais, ko viņi mums saka, ir tas, cik vienmērīgs bija Visums, kad tas bija tikai 0,003% no tā pašreizējā vecuma, un atbilde ir ka blīvākais reģions bija tikai aptuveni 0,01% blīvāks nekā vismazāk blīvais reģions. Citiem vārdiem sakot, tumšā viela sāka veidoties vienveidīga, un, laika gaitā, salipās kopā!

Detalizēts Universa apskats atklāj, ka tas ir veidots no matērijas, nevis no antimateriāla, ka ir nepieciešama tumšā matērija un tumšā enerģija un ka mēs nezinām neviena no šiem noslēpumiem izcelsmi. Tomēr CMB svārstības, liela mēroga struktūras veidošanās un korelācijas, kā arī mūsdienu gravitācijas objektīvu novērojumi norāda uz vienu un to pašu attēlu (Kriss Bleiks un Sems Moorfīlds).

Apkopojot šos visus kopā, mēs nonākam pie secinājuma, ka tumšajai matērijai ir jāuzvedas kā šķidrumam, kas caurstrāvo Visumu. Šim šķidrumam ir nenozīmīgi mazs spiediens un viskozitāte, tas reaģē uz radiācijas spiedienu, tas nesaskaras ar fotoniem vai normālu vielu, tas ir dzimis auksts un nerelatīvistisks, un laika gaitā tas sabrūk kopā sava smaguma spēka ietekmē. . Tas virza struktūras veidošanos Visumā vislielākajos mērogos. Tas ir ļoti nehomogēns, laika gaitā šo nehomogēno lielumu pieaugot.

To mēs varam teikt par to lielos mērogos, kur tas ir saistīts ar novērošanu. Nelielos mērogos mums ir aizdomas - bet neesam pārliecināti -, ka tas ir tāpēc, ka tumšo vielu veido daļiņas ar īpašībām, kas liek šādā veidā rīkoties lielos mērogos. Iemesls, kāpēc mēs to pieņemam, ir tāpēc, ka Visums, cik mums ir zināms, vienkārši sastāv no daļiņām, stāsta beigas! Ja jums ir nozīme un ja jums ir masa, jums ir kvantu ekvivalents, un tas nozīmē, ka kādā līmenī ir nedalāma daļiņa. Bet, kamēr mēs tieši nekonstatējam šo daļiņu, nekādā veidā neizslēdzam citu iespēju: ka tas ir kaut kāds šķidruma lauks, kas nav balstīts uz daļiņām, bet kosmosa laiku ietekmē tāpat kā kopējais daļiņu komplekts.

Eksperimentāli WIMP tumšās vielas ierobežojumi ir diezgan smagi. Zemākā līkne izslēdz WIMP (vāji mijiedarbojošos masīvo daļiņu) šķērsgriezumu un tumšās vielas masu visam, kas atrodas virs tā (Xenon-100 Collaboration (2012), izmantojot http://arxiv.org/abs/1207.5988).

Tāpēc tiešas noteikšanas mēģinājumi ir tik svarīgi! Kā pats teorētiķis, kurš rakstīja savu Ph.D. Tā kā esmu izstrādājis disertāciju par liela mēroga struktūras veidošanu, es labi apzinos, ka tas, ko mēs varam darīt, ir neticami spēcīgs, lai prognozētu novērojamos lielumus, jo īpaši lielos mērogos. Bet tas, ko mēs teorētiski nevaram izdarīt, ir apstiprināt, vai tumšā matērija ir daļiņa vai nē. Vienīgais veids, kā to izdarīt, ir tieša atklāšana; bez tā jums var būt spēcīgi netieši pierādījumi, taču tas nebūs ložu necaurlaidīgs. Liekas, ka tā nekādā veidā nav saistīta ar tumšo enerģiju, jo tumšā enerģija ir patiesi vienāda visā kosmosā, un prognozes lielos mērogos mums saka, kā tā mijiedarbojas gravitācijas ietekmē un caur citiem spēkiem diezgan precīzi.

Tumšās vielas straumi virza galaktiku apvienošanos un liela mēroga struktūras veidošanos, kā parādīts šajā KIPAC / Stenforda simulācijā. (O. Hahns un T. Ābele (simulācija); Ralfs Kēlers (vizualizācija))

Bet vai tā ir daļiņa? Kamēr mēs to neatklājam, mēs varam tikai pieņemt atbildi. Visums ir parādījis, ka tam ir kvantu raksturs, ciktāl tas attiecas uz visām citām matērijas formām, tāpēc ir pamatoti uzskatīt, ka tā būtu arī tumšā matērija. Tomēr paturiet prātā, ka šai argumentācijai ir savi ierobežojumi. Galu galā viss notiek pēc viena un tā paša noteikuma, viss pārējais seko, bet tikai līdz brīdim, kad tie vairs nenotiek! Mēs atrodamies neatklātā teritorijā ar tumšo matēriju, un ir svarīgi būt pazemīgiem pirms lieliem nezināmajiem šajā Visumā.

Nosūtiet jautājumus Uzdot etānam startwithabang vietnē gmail dot com!

Starts With A Bang tagad ir pieejams Forbes un, pateicoties mūsu Patreon atbalstītājiem, tiek publicēts vidējā versijā. Etāns ir rakstījis divas grāmatas “Beyond The Galaxy” un “Treknoloģija: Zvaigžņu pārgājienu zinātne no Tricorders līdz Warp Drive”.