et detaljeret kig på universet afslører, at det er lavet af stof og ikke antimaterie, det mørke … materie og mørk energi er påkrævet, og at vi ikke kender oprindelsen af nogen af disse mysterier. Imidlertid peger svingningerne i CMB, dannelsen og korrelationerne mellem storskala struktur og moderne observationer af gravitationslinser alle mod det samme billede.
CHRIS BLAKE og SAM MOORFIELD
uanset hvor meget vi måske prøver at skjule det, er der et enormt problem, der stirrer os alle i ansigtet, når det kommer til universet. Hvis vi kun forstod tre ting:
- de love, der styrer universet,
- de komponenter, der udgør universet,
- og de betingelser, som universet startede med,
Vi ville være i stand til at gøre det mest bemærkelsesværdige af alle. Vi kunne nedskrive et system af ligninger, der med en stærk nok computer til vores rådighed ville beskrive, hvordan universet udviklede sig over tid til at omdanne fra de oprindelige betingelser til det univers, vi ser i dag.
hver eneste begivenhed, der fandt sted i vores kosmiske historie — til grænserne for klassisk kaos og kvanteindeterminisme — kunne kendes og beskrives i detaljer, fra de individuelle interaktioner mellem kvantepartikler til de største kosmiske skalaer af alle. Det problem, vi står over for, når vi prøver at gøre netop det, er, at på trods af alt, hvad vi ved om universet, stemmer det, vi forudsiger, og det, vi observerer, ikke helt overens, medmindre vi tilføjer mindst to mystiske ingredienser: en eller anden form for mørkt stof og en eller anden form for mørk energi. Det er et bemærkelsesværdigt puslespil at løse, og noget hver astrofysiker skal regne med. Mens mange elsker at præsentere alternativer, er de alle endnu værre end den utilfredsstillende løsning af mørkt stof og energi. Her er videnskaben om hvorfor.
en næsten perfekt ring fra gravitationslinseffekten af forgrundsmassen. Disse Einstein … ringe, engang kun en teoretisk forudsigelse, er nu set i mange forskellige linsesystemer, til forskellige grader af perfektion. Denne” hestesko ” – form er almindelig, når justeringen er næsten perfekt, men ikke helt.
ESA/Hubble & NASA
Der er en hel masse målinger, vi kan lave, der har hjulpet med at afsløre universets natur. Vi har målt planeternes baner og lysets afbøjning på grund af tilstedeværelsen af masse, hvilket viste, at Einsteins generelle relativitet og ikke Nytons love om universel gravitation bedst beskriver vores virkelighed. Vi har afdækket opførelsen af subatomære partikler, antipartikler og fotoner, der afslører kvantekræfter og felter, der styrer vores univers. Hvis vi vil simulere, hvordan universet udviklede sig gennem tiden, er vi nødt til at tage de kendte, påviseligt korrekte love på de skalaer, vi har testet dem, og anvende dem på kosmos som helhed.
Vi har også været i stand til at måle en hel række egenskaber om alle de objekter, vi kan observere i hele universet. Vi har lært, hvordan stjerner skinner og udsender lys, og kan fortælle meget om en stjerne — hvor massiv, varm, lysende, gammel, rig på tunge elementer osv. – bare ved at se på dens lys på den rigtige måde. Derudover er mange andre former for stof, såsom planeter, stjernekroppe, mislykkede stjerner, gas, støv, plasma og endda sorte huller alle blevet identificeret.
dette billede af galaksen NGC 1275, som taget af Hubble, viser den lyse og aktive galakse røntgen … emitterende galakse i midten af Perseus-klyngen. Ioniserede filamenter af gas, en central kerne og en kompleks struktur kan alle SES, og vi kan udlede tilstedeværelsen af et ~milliard solmasse sort hul i midten. Der er meget normalt stof her, men også noget mere end bare normalt stof alene.
NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI / AURA)
Vi er godt på vej til at udføre en slags “kosmisk folketælling”, hvor vi kan tilføje alt stof og energi i universet og hvad der komponerer det. Ud over materie har vi identificeret antimaterie i små mængder. Der er ingen stjerner eller galakser derude, inden for vores synlige univers, lavet af antimateriale i stedet for normalt stof, men der er stråler af antimateriale, der strømmer væk fra naturlige motorer med høj energi som sorte huller og neutronstjerner. Der er også neutrinoer, der kører hurtigt gennem universet, lille i masse, men enormt i antal, genereret under det varme Big Bang og også fra nukleare processer i stjerner og stjernekatastrofer.
problemet er selvfølgelig, at når vi tager alle de ingredienser, vi har målt direkte, anvender de ligninger, der styrer universet til kosmos som helhed, og forsøger at sætte alt sammen, tilføjer det ikke. De love, vi kender, og de ingredienser, vi direkte har opdaget, når de kombineres, kan ikke forklare universet, som vi ser det. Især er der et par observationer, der ser ud til at være gensidigt eksklusive, hvis vi vil undersøge nulhypotesen: at det, vi ser, og det, vi ved, er alt, hvad der er.
en galakse, der blev styret af normalt stof alene (L), ville vise meget lavere rotationshastigheder i … udkanten end mod centrum, svarende til hvordan planeter i solsystemet bevæger sig. Observationer indikerer imidlertid, at rotationshastigheder stort set er uafhængige af radius (R) fra det galaktiske centrum, hvilket fører til den slutning, at en stor mængde usynligt eller mørkt stof skal være til stede.
du har hørt om mørkt stof før, og grunden til at du sandsynligvis har hørt, at vi har brug for det, er, at ” der ikke er nok normalt stof til at redegøre for alle virkningerne af tyngdekraften, som vi ser.”Det mest almindelige spørgsmål, som astrofysikere får om det, er:” Nå, hvad hvis der bare er mere normalt stof derude end de typer stof, vi er gode til at opdage? Hvad hvis ‘mørkt stof’ bare er mere normalt stof, der tilfældigvis er mørkt?”
problemet med den ide er, at vi ved — fra observationer, vi allerede har — hvor meget normalt stof i alt eksisterer i det synlige univers. Universet var varmere og tættere i fortiden, og når tingene var varme og tætte nok, kunne kun frie protoner og neutroner eksistere. Hvis de forsøgte at binde sammen i en kombination af tungere kerner, var universet så energisk, at de straks ville blive sprængt fra hinanden. De letteste elementer, der findes:
- hydrogen (1 proton),
- deuterium (1 proton og 1 neutron),
- helium-3 (2 protoner og 1 neutron),
- helium-4 (2 protoner og 2 neutroner),
- og lithium-7 (3 protoner og 4 neutroner)
blev alle skabt i de første 3-4 minutter af universet, danner først, når universet køler tilstrækkeligt, så de ikke øjeblikkeligt ødelægges.
fjerne lyskilder – fra galakser, kvasarer og endda den kosmiske mikrobølgebaggrund – skal … gå gennem skyer af gas. De absorptionsfunktioner, vi ser, gør det muligt for os at måle mange funktioner om de mellemliggende gasskyer, herunder overflod af lyselementerne indeni.
Ed Janssen, ESO
det bemærkelsesværdige er, at fordi fysikkens love, der styrer partikler (og nuklear fusion) er så godt forstået, kan vi beregne nøjagtigt-forudsat at universet engang var varmere, tættere og udvidet og afkølet fra den tilstand — hvad de forskellige forhold mellem disse forskellige lyselementer burde være. Vi har endda studeret reaktionerne i laboratoriet direkte, og tingene opfører sig præcist som vores teori forudsiger. Den eneste faktor, vi varierer, er Foton-til-baryonforholdet, som fortæller os, hvor mange kosmiske fotoner (lyspartikler) der er for hver proton eller neutron (baryonerne) i vores univers.
Vi har nu målt det hele. Satellitter som COBE, Planck og Planck har målt, hvor mange fotoner der er i universet: 411 pr. Mellemliggende skyer af gas, der vises mellem os og en fjern lyskilde, som en lysende galakse eller kvasar, vil absorbere en brøkdel af lyset, når det bevæger sig gennem universet og lærer os overflodene af disse elementer og isotoper direkte. Når vi tilføjer det hele, kan kun ~5% af den samlede energi i universet være normalt stof: ikke mere og ikke mindre.
den forudsagte overflod af helium-4, deuterium, helium-3 og lithium-7 som forudsagt af Big Bang … Nukleosyntese, med observationer vist i de røde cirkler. Dette svarer til et univers, hvor ~4-5% af den kritiske tæthed er i form af normalt stof. Med en anden ~25-28% i form af mørkt stof kan kun omkring 15% af det samlede stof i universet være normalt, med 85% i form af mørkt stof.
NASA / VMAP Science Team
Der er alle mulige observationer ud over dem, der er nævnt her, som vi skal redegøre for. En universel naturlov er ikke god, hvis den kun fungerer under visse udvalgte forhold; du skal være i stand til at forklare en lang række kosmiske fænomener, hvis du vil have din foreslåede kosmologi taget alvorligt. Du skal forklare:
- det kosmiske strukturvæv, vi ser i vores univers, og hvordan det dannede sig,
- størrelserne, masserne og stabiliteten af individuelle galakser,
- galaksernes hastigheder, der glider rundt i galaksehobe,
- temperatursvingninger præget i den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling: Big Bangs resterende glød,
- gravitationslinsen observeret omkring klynger af galakser, både isolerende og dem, der er i færd med at kollidere,
- og hvordan universets ekspansionshastighed ændrer sig over tid på den nøjagtige måde, vi har observeret, at den ændrer sig.
der er mange andre observationer, vi kan folde ind i dette valg, men disse blev valgt af en bestemt grund: i et univers, der kun er lavet af normalt stof, stråling og neutrinoer i deres observerede mængder, kan vi ikke forklare nogen af disse observationer. For at forklare det univers, vi ser, er der brug for noget yderligere.
fire kolliderende galakse klynger, der viser adskillelsen mellem røntgenstråler (pink) og gravitation (blå), … vejledende for mørkt stof. På store skalaer er koldt mørkt stof nødvendigt, og intet alternativ eller erstatning vil gøre. Kortlægning af den varme gas, der skaber Røntgenlyset (lyserødt), er imidlertid ikke nødvendigvis en særlig god indikation af, hvor den samlede masse er, som den mørke stoffordeling indikerer (blå).
røntgen: NASA / UVic./ A. Mahdavi et al. Optisk / linse: CFHT / UVic./ A. Mahdavi et al. (øverst til venstre); røntgenbillede: NASA/UCDavis/U.; Optisk: NASA / Stsci / UCDavis / U. S. et Al. (øverst til højre); ESA/F. Gastaldello (INAF/Iasf, Milano, Italien)/ CFHTLS (nederst til venstre); røntgen: NASA, ESA, CCC, M. Bradac (University of California, Santa Barbara) og S. Allen (Stanford University) (nederst til højre)
i princippet kan du forestille dig, at kun en ny finjustering muligvis kan redegøre for for alt. At vi måske, hvis vi var kloge nok, bare kunne tilføje en ny ingrediens eller foretage en ændring af vores regler, der ville forklare alle disse observationer sammen. Det var den oprindelige ide bag dark matter, forresten, som det først blev foreslået i 1930 ‘ erne af Frits. Han var den første til at måle hastigheden af galakser, der lynede rundt inde i galaksehobe, og fandt, at der skulle være noget som ~100 gange så meget masse som stjernerne kunne redegøre for. Han antog en ny ingrediens-mørkt stof-der muligvis tegner sig for det hele.
Vi ved, at mørkt stof fra observationer og eksperimenter ikke kan laves af nogen af de kendte partikler, der findes inden for standardmodellen for Fysik. Vi har lært, at mørkt stof ikke kunne have været varmt eller hurtigt bevægende, selv tidligt; det skal enten være ret massivt, eller det skal være født uden meget kinetisk energi. Vi har lært, at det ikke kan interagere gennem den stærke eller elektromagnetiske eller svage kraft på nogen mærkbar måde. Og vi har lært, at hvis vi tilføjer denne ene ingrediens af koldt mørkt stof til universet, falder næsten alle observationer i tråd.
dette uddrag fra en struktur-dannelse simulering, med udvidelsen af universet skaleret ud,… repræsenterer milliarder af års gravitationsvækst i et mørkt stofrige univers. Bemærk, at filamenter og rige klynger, der dannes ved skæringspunktet mellem filamenter, primært opstår på grund af mørkt stof; normalt stof spiller kun en mindre rolle.
Ralf K Larghler og Tom Abel (KIPAC)/Oliver Hahn
med mørkt stof alene kan vi forklare mange af de observationer, vi ikke kan redegøre for uden det. Vi får et kosmisk net; vi får stjerneklynger, der smelter sammen til små galakser, der vokser til store galakser og til sidst galaksehobe; vi får hurtige galakser inden for disse klynger; vi får en adskillelse mellem varm gas og virkningerne af tyngdekraften, når klynger af galakser kolliderer; vi får galakser, der roterer lige så hurtigt på ydersiden som de gør på indersiden; vi får betydelig gravitationslinse i overensstemmelse med observationer; vi får temperaturudsving, der stemmer overens med den kosmiske mikrobølgebaggrund, og som forklarer sandsynligheden for at finde en galakse en bestemt afstand væk fra enhver anden galakse.
men vi får ikke helt alt. Mørkt stof er den ene ekstra “ting”, vi kan tilføje — og det viser sig at være en ingrediens snarere end en ændring — for at løse det største antal af disse problemer på en gang, men det giver os ikke helt alt. Det løser ikke det (større) problem med ekspansionshastigheden, og det forklarer ikke det (mindre) puslespil om, hvorfor universet er rumligt fladt på trods af at det overgår normalt stof med et 5-til-1-forhold. På en eller anden måde er en fuld 2/3 af universets samlede energi ikke taget højde for.
de forskellige mulige skæbner i universet, med vores faktiske, accelererende skæbne vist til højre. … Efter at der er gået nok tid, vil accelerationen efterlade enhver bundet galaktisk eller supergalaktisk struktur fuldstændig isoleret i universet, da alle de andre strukturer accelererer uigenkaldeligt væk. Vi kan kun se på fortiden for at udlede dark energy ‘ s tilstedeværelse og egenskaber, som kræver mindst en konstant, men dens implikationer er større for fremtiden.
NASA & ESA
mørk energi er selvfølgelig den anden ekstra ingrediens, vi kan tilføje for at forklare resten af observationerne. Det fungerer som en form for energi, der er forbundet med selve rummet, og bliver kun vigtig, når universet er udvidet til at blive fortyndet og diffust nok. Det udgør størstedelen af universets energi i dag, efter at have været ubetydelig i de første ~7+ milliarder år. Og det får fjerne galakser til at accelerere snarere end decelerere, når de bevæger sig væk fra os i det ekspanderende univers.
der er ingen enkelt ændring, der forklarer alle disse observationer sammen. Faktisk vil enhver anden enkelt ændring, du kan foretage — enten ved at ændre lovene eller tilføje en ny ingrediens — løse færre af disse problemer end mørkt stof eller mørk energi vil. De fleste af de konkurrerende ideer derude, såsom:
- ændring af tyngdekraftens love,
- at have mørk energi være et dynamisk felt eller en enhed, der udvikler sig med tiden,
- eller opfinde en slags forfaldne mørkt stof eller tidlig mørk energi,
har en (eller begge) af to fatale fejl. Enten kræver de mere end de to nye parametre, der tilføjes af mørkt stof og mørk energi, eller de løser ikke alle de problemer, som tilføjelse af mørkt stof og mørk energi løser.
denne kunstners indtryk repræsenterer små koncentrationer af mørkt stof i galaksehoben … MACSJ 1206. Astronomer målte mængden af gravitationslinser forårsaget af denne klynge for at producere et detaljeret kort over fordelingen af mørkt stof i den. Der skal være lille skala mørkt stof understruktur til stede for at redegøre for disse observationer.
ESA / Hubble, M. Kornmesser
i videnskab bruger de fleste Occams barbermaskine — forestillingen om, at når man vælger mellem forklaringer, er den enkleste normalt bedst — fejlagtigt. Det er ikke enklere at ændre tyngdekraften, end det er at tilføje mørkt stof og mørk energi, ikke hvis denne ændring kræver to eller flere tilføjede parametre. Det er ikke enklere at introducere en type mørk energi, der er andet end en kosmologisk konstant; sidstnævnte er den mest “vanilje” klasse af mørk energi der er, og det virker for alt. I stedet skal du gøre noget som at sammensætte en forklaring, der kun introducerede en ny enhed, der erstatter både mørkt stof og mørk energi sammen.
så foruroligende som det er, er mørkt stof og mørk energi den enkleste forklaring. En mørk væskeide i sig selv kræver flere frie parametre. Den nye relativistiske MOND introduceret tidligere i år eller den gamle tensor-vektor-skalære tyngdekraft i Bekenstein tilføjer ikke kun mindst lige så mange parametre som mørkt stof og mørk energi, men de kan stadig ikke forklare galaksehobe. Problemet er ikke, at mørkt stof og mørk energi simpelthen skal have ret. Det er, at alle de andre ideer er objektivt værre. Uanset hvad der virkelig foregår med vores univers, skylder vi os selv at fortsætte efterforskningen. Det er den eneste måde, vi nogensinde vil vide, hvordan naturen virkelig fungerer, enkel eller ej.