yksityiskohtainen katsaus maailmankaikkeuteen paljastaa, että se on tehty aineesta eikä antimateriasta, että pimeä … materiaa ja pimeää energiaa tarvitaan, emmekä tiedä näiden mysteerien alkuperää. CMB: N vaihtelut, suuren mittakaavan rakenteen muodostuminen ja korrelaatiot sekä nykyaikaiset havainnot gravitaatiolinssistä viittaavat kuitenkin kaikki samaan kuvaan.
CHRIS BLAKE ja SAM MOORFIELD
vaikka kuinka yrittäisimme piilotella sitä, meitä kaikkia odottaa valtava ongelma, kun kyse on universumista. Jos ymmärtäisimme vain kolme asiaa:
- ne lait, jotka hallitsevat kaikkeutta,
- ne osat, jotka muodostavat kaikkeuden,
- ja ne olosuhteet, joista kaikkeus alkoi,
me kykenisimme tekemään kaikkein merkittävimmän asian. Voisimme kirjoittaa yhtälöjärjestelmän, joka riittävän tehokkaalla tietokoneella kuvaisi, miten maailmankaikkeus kehittyi ajan myötä muuttuakseen noista lähtöolosuhteista nykyiseksi Universumiksi.
jokainen kosmisen historiamme yksittäinen tapahtuma — klassisen kaaoksen ja kvantti — indeterminismin rajoille-voitiin tuntea ja kuvata hyvin yksityiskohtaisesti kvanttihiukkasten välisistä yksittäisistä vuorovaikutuksista kaikkien suurimpiin kosmisiin asteikkoihin. Ongelma, jonka kohtaamme, kun yritämme tehdä juuri niin, on se, että huolimatta kaikesta mitä tiedämme maailmankaikkeudesta, se mitä ennustamme ja mitä havaitsemme ei aivan täsmää, ellemme lisää vähintään kahta salaperäistä ainesosaa: jonkinlaista pimeää ainetta ja jonkinlaista pimeää energiaa. Se on merkittävä arvoitus ratkaistavaksi, ja jokaisen astrofyysikon on otettava se huomioon. Vaikka monet rakastavat esittää vaihtoehtoja, ne kaikki ovat vielä pahempaa kuin epätyydyttävä ratkaisu pimeän aineen ja energian. Tässä on tiede miksi.
lähes täydellinen rengas etumassan gravitaatiolenssivaikutuksesta. Nämä Einsteinit … renkaat, kun teoreettinen ennustus vain, on nyt nähty monissa eri lensed järjestelmien, eri astetta täydellisyyttä. Tämä ”hevosenkengän” muoto on yleinen, kun linjaus on lähes täydellinen, mutta ei aivan.
ESA/Hubble & NASA
on olemassa kokonainen liuta mittauksia, jotka ovat auttaneet paljastamaan maailmankaikkeuden luonteen. Olemme mitanneet planeettojen ratoja ja valon taipumista massan läsnäolosta johtuen, mikä osoitti, että Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria eikä Newtonin universaalin gravitaation lait kuvaavat parhaiten todellisuuttamme. Olemme selvittäneet subatomisten hiukkasten, antihiukkasten ja fotonien käyttäytymistä, – paljastaen Kvanttivoimat ja kentät, jotka hallitsevat Universumiamme. Jos haluamme simuloida, miten maailmankaikkeus kehittyi ajan myötä, meidän on otettava tunnetut, todistettavasti oikeat lait testaamiimme asteikkoihin ja sovellettava niitä koko kosmokseen.
olemme myös pystyneet mittaamaan kokonaisen joukon ominaisuuksia kaikista havainnoitavista kohteista koko maailmankaikkeudessa. Olemme oppineet, miten tähdet loistavat ja säteilevät valoa, ja voimme kertoa tähdestä paljon — kuinka massiivinen, kuuma, valoisa, vanha, runsaasti raskaita elementtejä jne. – vain katsomalla sen valoa oikealla tavalla. Lisäksi on tunnistettu monia muita aineen muotoja, kuten planeettoja, tähtien ruumiita, epäonnistuneita tähtiä, kaasua, pölyä, plasmaa ja jopa mustia aukkoja.
tässä Hubblen ottamassa kuvassa galaksista NGC 1275 näkyy kirkas ja aktiivinen galaksiröntgen … se lähettää galaksia Perseuksen tähtijoukon keskellä. Ionisoituneet kaasufilamentit, keskusydin ja monimutkainen rakenne voidaan kaikki nähdä, ja voimme päätellä, että läsnä on ~miljardi Auringon massa musta aukko keskellä. Täällä on paljon normaalia ainetta, mutta jotain muutakin kuin vain normaalia ainetta.
NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI/AURA)
olemme hyvää vauhtia matkalla suorittamaan eräänlaista ”kosmista väestönlaskentaa”, jossa voimme laskea yhteen kaiken maailmankaikkeuden aineen ja energian ja sen, mikä sen muodostaa. Aineen lisäksi olemme tunnistaneet pieniä määriä antiainetta. Näkyvässä universumissamme ei ole tähtiä tai galakseja, jotka olisivat tehty antimateriasta normaalin aineen sijaan, mutta antimateriasuihkuja virtaa pois suurienergisista luonnonvoimista, kuten mustista aukoista ja neutronitähdistä. Maailmankaikkeuden läpi kiitää myös neutriinoja, jotka ovat massaltaan pieniä mutta lukumäärältään valtavia, jotka syntyvät kuuman alkuräjähdyksen aikana ja myös tähtien ydinprosesseissa ja tähtien mullistuksissa.
ongelma on tietenkin se, että kun otamme kaikki suoraan mittaamamme ainekset, sovellamme maailmankaikkeutta ohjaavia yhtälöitä koko kosmokseen ja yritämme laittaa kaiken yhteen, se ei täsmää. Tuntemamme lait ja suoraan löytämämme ainesosat eivät voi yhdessä selittää maailmankaikkeutta sellaisena kuin näemme sen. Erityisesti on muutamia havaintoja, jotka näyttävät olevan toisensa poissulkevia, jos haluamme tutkia nollahypoteesia: että se, mitä näemme ja mitä tiedämme, on kaikki, mitä on.
pelkän normaalin aineen (L) hallitsemassa galaksissa pyörimisnopeudet olisivat huomattavasti pienemmät … laitamilla kuin kohti keskustaa, samaan tapaan kuin aurinkokunnan planeetat liikkuvat. Havainnot kuitenkin osoittavat, että pyörimisnopeudet ovat suurelta osin riippumattomia säteestä (R) galaktisesta keskuksesta, mikä johtaa päätelmään, että suuren määrän näkymätöntä eli pimeää ainetta täytyy olla läsnä.
WIKIMEDIA COMMONS-sivuston käyttäjä INGO BERG/FORBES/E. SIEGEL
olet kuullut pimeästä aineesta aiemminkin, ja syy, miksi olet todennäköisesti kuullut, että tarvitsemme sitä, on se, että ”ei ole tarpeeksi normaalia ainetta selittämään kaikkia näkemiämme painovoiman vaikutuksia.”Yleisin kysymys, jonka astrofyysikot saavat siitä, on,” No, mitä jos on olemassa vain enemmän normaalia ainetta kuin mitä me olemme hyviä havaitsemaan? Entä jos ”pimeä aine”on vain normaalia ainetta, joka sattuu olemaan pimeää?”
tämän ajatuksen ongelma on se, että tiedämme — havaintojen perusteella, joita meillä jo on — kuinka paljon normaalia ainetta on yhteensä näkyvässä maailmankaikkeudessa. Maailmankaikkeus oli aiemmin kuumempi ja tiheämpi, ja kun asiat olivat tarpeeksi kuumia ja tiheitä, vain vapaita protoneja ja neutroneja saattoi olla olemassa. Jos ne yrittäisivät sitoutua johonkin raskaampien ytimien yhdistelmään, maailmankaikkeus olisi niin energinen, että ne räjähtäisivät välittömästi kappaleiksi. Kevyimmät olemassa olevat alkuaineet:
- vety (1 protoni),
- deuterium (1 protoni ja 1 neutroni),
- helium-3 (2 protonia ja 1 neutroni),
- helium-4 (2 protonia ja 2 neutronia),
- ja litium-7 (3 protonia ja 4 neutronia)
syntyivät kaikki ensimmäisten 3-4 minuutin aikana universumi, joka muodostuu vasta kun universumi jäähtyy tarpeeksi, jotta ne eivät tuhoudu välittömästi.
kaukaiset valonlähteet – galakseista, kvasaareista ja jopa kosmisesta mikroaaltotaustasta – ovat välttämättömiä … kulje kaasupilvien läpi. Näkemiemme absorptioominaisuuksien avulla voimme mitata monia ominaisuuksia välillämme olevista kaasupilvistä, mukaan lukien sisällä olevien valoelementtien runsaudet.
Ed Janssen, ESO
merkillepantavaa on se, että koska fysiikan lait, jotka hallitsevat hiukkasia (ja ydinfuusiota), ovat niin hyvin ymmärrettyjä, voimme laskea täsmälleen-olettaen, että maailmankaikkeus oli kerran kuumempi, tiheämpi ja laajeni ja jäähtyi tuosta tilasta — mitkä näiden eri valoelementtien eri suhdelukujen pitäisi olla. Olemme jopa tutkineet reaktioita suoraan laboratoriossa, ja asiat käyttäytyvät juuri niin kuin teoriamme ennustaa. Ainoa tekijä, joka vaihtelee, on fotoni-baryoni-suhde, joka kertoo, kuinka monta kosmista fotonia (valohiukkasta) on jokaista protonia tai neutronia (baryonia) kohti Maailmankaikkeudessamme.
olemme nyt mitanneet kaiken. Satelliitit kuten COBE, WMAP ja Planck ovat mitanneet kuinka monta fotonia maailmankaikkeudessa on: 411 kuutiosenttimetriä kohti avaruutta. Meidän ja kaukaisen valonlähteen välissä olevat kaasupilvet, kuten valoisa galaksi tai kvasaari, absorboivat murto-osan valosta kulkiessaan maailmankaikkeuden läpi ja opettavat meille suoraan näiden alkuaineiden ja isotooppien runsauden. Kun laskemme kaiken yhteen, vain ~5% maailmankaikkeuden kokonaisenergiasta voi olla normaalia ainetta: ei enempää eikä vähempää.
alkuräjähdyksen ennustamat helium-4: n, deuteriumin, helium-3: n ja litium-7: n pitoisuudet … Nukleosynteesi, jossa havainnot näkyvät punaisissa ympyröissä. Tämä vastaa maailmankaikkeutta, jossa ~4-5% kriittisestä tiheydestä on normaalin aineen muodossa. Kun toinen ~25-28% on pimeän aineen muodossa, vain noin 15% koko maailmankaikkeuden aineesta voi olla normaalia, kun taas 85% pimeän aineen muodossa.
NASA/WMAP Science Team
on olemassa kaikenlaisia havaintoja, tässä mainittujen lisäksi, jotka meidän on otettava huomioon. Universaalista luonnonlaista ei ole hyötyä, jos se toimii vain tietyissä valikoiduissa olosuhteissa; on kyettävä selittämään monenlaisia kosmisia ilmiöitä, jos haluaa, että ehdotettuun kosmologiaan suhtaudutaan vakavasti. Sinun täytyy selittää:
- kosminen rakenneverkko, jonka näemme Maailmankaikkeudessamme ja miten se muodostui,
- yksittäisten galaksien koot, massat ja stabiilisuus,
- galaksijoukkojen sisällä kiertävien galaksien nopeudet,
- kosmisen taustasäteilyn painamat lämpötilanvaihtelut: alkuräjähdyksen ylijäänyt hehku,
- gravitaatiolinssi, joka on havaittu galaksijoukkojen ympärillä, sekä eristyksissä että törmäämässä,
- ja miten maailmankaikkeuden laajenemisnopeus muuttuu ajan myötä juuri sillä tavalla kuin olemme havainneet sen muuttuvan.
on monia muitakin havaintoja, jotka voimme taittaa tähän valikoimaan, mutta ne valittiin erityisestä syystä: maailmankaikkeudessa, joka on tehty vain normaalista aineesta, säteilystä ja neutriinoista niiden havaituissa määrissä, emme voi selittää mitään näistä havainnoista. Näkemämme kaikkeuden selittämiseksi tarvitaan jotain muutakin.
neljä törmäävää galaksijoukkoa, jotka osoittavat röntgensäteiden (vaaleanpunainen) ja gravitaation (sininen) välisen eron … se viittaa pimeään aineeseen. Suurilla mittakaavoilla kylmä pimeä aine on välttämätöntä, eikä mikään vaihtoehto tai korvike kelpaa. Röntgenvalon tuottavan kuuman kaasun (vaaleanpunainen) kartoittaminen ei kuitenkaan välttämättä ole kovin hyvä osoitus kokonaismassan sijainnista, kuten pimeän aineen jakauma osoittaa (sininen).
X-ray: NASA/CXC / UVic./ A. Mahdavi et al. Optinen / Lensing: CFHT / UVic./ A. Mahdavi et al. (ylhäällä vasemmalla); röntgen: NASA / CXC/UCDavis / W. Dawson et al.; Optinen: NASA / STScI/UCDavis / W. Dawson et al. (ylhäällä oikealla); ESA/XMM-Newton/F. Gastaldello (INAF/ IASF, Milano, Italia)/CFHTLS (alhaalla vasemmalla); röntgen: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (University of California, Santa Barbara) ja S. Allen (Stanfordin yliopisto) (alhaalla oikealla)
periaatteessa voisi kuvitella, että vain yksi uusi tweak saattaa selittää kaiken. Jos olisimme tarpeeksi fiksuja, voisimme ehkä lisätä yhden uuden ainesosan tai tehdä sääntöihimme yhden muutoksen, joka selittäisi kaikki nämä havainnot yhdessä. Se oli muuten pimeän aineen alkuperäinen idea, jota Fritz Zwicky ehdotti ensimmäisen kerran 1930-luvulla. Hän oli ensimmäinen, joka mittasi nopeudet galaksien zipping sisällä galaksijoukkojen, ja totesi siellä piti olla jotain ~100 kertaa niin paljon massaa kuin tähdet voisivat selittää. Hän arveli uuden ainesosan — pimeän aineen-voivan selittää kaiken.
tiedämme havaintojen ja kokeiden perusteella, että pimeää ainetta ei voida tehdä mistään tunnetuista hiukkasista, jotka ovat olemassa fysiikan standardimallissa. Olemme oppineet, että pimeä aine ei ole voinut olla kuumaa tai nopeasti etenevää edes varhain; sen on joko oltava melko massiivista tai sen on synnyttävä ilman paljoa liike-energiaa. Olemme oppineet, että se ei voi olla vuorovaikutuksessa vahvan, sähkömagneettisen tai heikon voiman kautta millään merkittävällä tavalla. Ja olemme oppineet, että jos lisäämme tämän kylmän pimeän aineen aineksen universumiin, lähes kaikki havainnot ovat linjassa.
tämä pätkä structure-formation simulaatiosta, jossa maailmankaikkeuden laajeneminen skaalattiin pois, … edustaa miljardien vuosien gravitaatiokasvua pimeän aineen rikkaassa maailmankaikkeudessa. Huomaa, että filamentit ja rikkaat klusterit, jotka muodostuvat filamenttien leikkauspisteessä, syntyvät pääasiassa pimeän aineen vuoksi; normaalilla aineella on vain vähäinen merkitys.
Ralf Kähler ja Tom Abel (KIPAC)/Oliver Hahn
pelkällä pimeällä aineella voimme selittää monia havaintoja, joita emme voi selittää ilman sitä. Saamme kosmisen verkon; saamme tähtijoukkoja, jotka sulautuvat pieniksi galakseiksi, jotka kasvavat suuriksi galakseiksi ja lopulta galaksijoukoiksi; saamme nopeasti liikkuvia galaksijoukkoja noiden galaksijoukkojen sisällä; saamme eron kuuman kaasun ja painovoiman vaikutusten välillä, kun galaksijoukot törmäävät; saamme galakseja, jotka pyörivät yhtä nopeasti ulkopuolella kuin sisällä; saamme merkittäviä gravitaatiolinssejä, jotka ovat yhdenmukaisia havaintojen kanssa; saamme lämpötilanvaihteluja, jotka sopivat yhteen kosmisen mikroaaltotaustan kanssa ja jotka selittävät todennäköisyyttä löytää galaksi tietyn etäisyyden päässä mistä tahansa muusta galaksista.
mutta ei me ihan kaikkea saada. Pimeä aine on yksi ylimääräinen ”asia”, jonka voimme lisätä — ja se osoittautuu ainesosaksi eikä muunnokseksi — ratkaistaksemme suurimman osan näistä ongelmista kerralla, mutta se ei aivan anna meille kaikkea. Se ei ratkaise laajenemisnopeuden (suurempaa) ongelmaa, eikä selitä (pienempää) palapeliä siitä, miksi, vaikka se ylittää normaalin aineen 5: 1-suhteella, maailmankaikkeus on avaruudellisesti Tasainen. 2/3 universumin kokonaisenergiasta jää laskematta.
maailmankaikkeuden erilaiset mahdolliset kohtalot, joiden oikealla puolella näkyy todellinen, kiihtyvä kohtalomme. … Kun tarpeeksi kauan on kulunut, kiihtyvyys jättää jokaisen sidotun galaktisen tai supergalaktisen rakenteen täysin eristyksiin maailmankaikkeudessa, kun kaikki muut rakenteet kiihdyttävät peruuttamattomasti pois. Voimme vain katsoa menneisyyteen päättelemään pimeän energian läsnäolon ja ominaisuudet, jotka vaativat vähintään yhden vakion, mutta sen vaikutukset ovat suurempia tulevaisuuden kannalta.
NASA & ESA
pimeä energia on tietenkin toinen lisäaines, jonka voimme lisätä selittämään loput havainnot. Se toimii itse avaruudelle luontaisena energiamuotona, josta tulee tärkeä vasta, kun maailmankaikkeus on laajentunut tarpeeksi laimeaksi ja hajanaiseksi. Se muodostaa suurimman osan maailmankaikkeuden energiasta nykyään oltuaan merkityksetön ensimmäisen ~7+ miljardin vuoden ajan. Ja se saa kaukaiset galaksit pikemminkin kiihtymään kuin hidastumaan, kun ne etääntyvät meistä laajenevassa maailmankaikkeudessa.
ei ole olemassa yhtä muunnosta, joka selittäisi kaikki nämä havainnot yhdessä. Itse asiassa mikä tahansa muu yksittäinen muutos, jonka voit tehdä — joko muuttamalla lakeja tai lisäämällä uuden ainesosan — ratkaisee vähemmän näitä ongelmia kuin pimeä aine tai pimeä energia. Useimmat kilpailevat ideat siellä, kuten:
- muuttaen painovoimalakeja,
- ottaa pimeän energian dynaamiseksi kentäksi tai kokonaisuudeksi, joka kehittyy ajan mukana,
- tai keksii jonkinlaisen mätänevän pimeän aineen tai varhaisen pimeän energian,
on yksi (tai molemmat) kahdesta kohtalokkaasta viasta. Joko ne vaativat enemmän kuin kaksi uutta muuttujaa, jotka pimeä aine ja pimeä energia lisäävät, tai ne eivät ratkaise kaikkia ongelmia, jotka pimeän aineen ja pimeän energian lisääminen ratkaisee.
tämän taiteilijan vaikutelma edustaa galaksijoukossa pieniä pimeän aineen pitoisuuksia … MACSJ 1206. Tähtitieteilijät mittasivat tämän tähtijoukon aiheuttaman gravitaatiolinssin määrän tuottaakseen yksityiskohtaisen kartan pimeän aineen jakautumisesta siinä. Näiden havaintojen selittämiseksi täytyy olla olemassa pienimuotoista pimeän aineen pohjarakennetta.
ESA / Hubble, M. Kornmesser
tieteessä useimmat ihmiset käyttävät Occamin partaveistä — käsitystä, jonka mukaan selitysten välillä valittaessa yksinkertaisin on yleensä paras — virheellisesti. Painovoiman muokkaaminen ei ole yksinkertaisempaa kuin pimeän aineen ja pimeän energian lisääminen, ei jos muutos vaatii kaksi tai useampia lisäparametreja. Ei ole yksinkertaisempaa ottaa käyttöön sellaista pimeää energiaa, joka on jotain muuta kuin kosmologinen vakio; jälkimmäinen on kaikkein ”vaniljan” luokan pimeää energiaa mitä on, ja se toimii kaikkeen. Sen sijaan pitäisi keksiä selitys, joka esitteli vain yhden uuden olennon, joka korvasi sekä pimeän aineen että pimeän energian yhdessä.
niin hämmentävää kuin se onkin, pimeä aine ja pimeä energia ovat yksinkertaisin selitys. Pimeän nesteen idea itsessään vaatii useita vapaita parametreja. Aiemmin tänä vuonna esitelty uusi relativistinen MOND tai bekensteinin vanha tensor-vektori-skalaarigravitaatio ei ainoastaan lisää vähintään yhtä monia parametreja kuin pimeä aine ja pimeä energia, mutta ne eivät silti pysty selittämään galaksijoukkoja. Ongelma ei ole se, että pimeän aineen ja pimeän energian pitää olla oikeassa. Kaikki muut ideat ovat objektiivisesti huonompia. Mitä universumissamme tapahtuukin, – olemme itsellemme velkaa tutkimuksen jatkamisen. Vain siten saamme tietää, miten luonto toimii, oli se sitten yksinkertaista tai ei.