az univerzum részletes áttekintése azt mutatja, hogy az anyag és nem antianyag, hogy sötét … anyagra és sötét energiára van szükség, és hogy nem tudjuk ezeknek a misztériumoknak az eredetét. Azonban a CMB ingadozása, a nagy léptékű szerkezet kialakulása és összefüggései, valamint a gravitációs lencse modern megfigyelései mind ugyanarra a képre mutatnak.
CHRIS BLAKE és SAM MOORFIELD
nem számít, mennyire próbáljuk elrejteni, van egy hatalmas probléma bámul minket az arcát, amikor a világegyetem. Ha csak három dolgot értünk:
- az univerzumot irányító törvények,
- az univerzumot alkotó összetevők,
- és az univerzum kezdetének feltételei,
képesek lennénk megtenni a legfigyelemreméltóbb dolgot. Leírhatnánk egy egyenletrendszert, amely egy elég erős számítógéppel a rendelkezésünkre áll, leírná, hogyan fejlődött az univerzum az idő múlásával, hogy átalakuljon ezekből a kezdeti Feltételekből a ma látott univerzumba.
minden egyes esemény, amely kozmikus történelmünkben történt — a klasszikus káosz és a kvantum — indeterminizmus határáig-nagyon részletesen ismert és leírható, a kvantumrészecskék közötti egyedi kölcsönhatásoktól kezdve a legnagyobb kozmikus skálákig. A probléma, amivel szembesülünk, amikor pontosan ezt próbáljuk megtenni, az, hogy annak ellenére, amit tudunk az univerzumról, amit megjósolunk és megfigyelünk, nem teljesen egyezik meg, hacsak nem adunk hozzá legalább két rejtélyes összetevőt: valamilyen sötét anyagot és valamilyen sötét energiát. Ez egy figyelemre méltó rejtvény, amelyet meg kell oldani, és amivel minden asztrofizikusnak számolnia kell. Bár sokan szeretnek alternatívákat bemutatni, ezek mind még rosszabbak, mint a sötét anyag és az energia nem kielégítő rögzítése. Itt van a tudomány, hogy miért.
közel tökéletes gyűrű az előtér tömegének gravitációs lencsehatásából. Ezek Einstein … a gyűrűket, amelyek egykor csak elméleti jóslatok voltak, most már számos különböző lencsés rendszerben látták, a tökéletesség különböző fokáig. Ez a” patkó ” forma gyakori, ha az igazítás szinte tökéletes, de nem egészen.
ESA/Hubble & NASA
számos olyan mérést végezhetünk, amelyek segítettek feltárni az univerzum természetét. Megmértük a bolygók pályáját és a fény tömeg jelenléte miatti elhajlását, ami azt mutatta, hogy Einstein általános relativitáselmélete és nem Newton egyetemes gravitációs törvényei jellemzik legjobban a valóságunkat. Felfedtük a szubatomi részecskék, antirészecskék és fotonok viselkedését, felfedve az univerzumunkat irányító kvantum erőket és mezőket. Ha azt akarjuk szimulálni, hogy az univerzum Hogyan fejlődött az időben, akkor az ismert, bizonyíthatóan helyes törvényeket kell alkalmaznunk a vizsgált skálán, és alkalmaznunk kell őket a kozmosz egészére.
képesek voltunk mérni egy egész sor tulajdonságot az összes objektumról, amelyet megfigyelhetünk az univerzumban. Megtanultuk, hogyan ragyognak és bocsátanak ki a csillagok, és sokat tudunk mondani egy csillagról — mennyire masszív, forró, fényes, régi, nehéz elemekben gazdag stb. – csak úgy, hogy a megfelelő módon nézem a fényét. Ezenkívül számos más anyagformát, például bolygókat, csillagtesteket, meghibásodott csillagokat, gázt, Port, plazmát, sőt fekete lyukakat is azonosítottak.
az NGC 1275 galaxis Hubble által készített képe a fényes és aktív galaxisröntgent mutatja be … kibocsátó galaxis a Perseus klaszter közepén. Az ionizált gázszálak, egy központi mag és egy összetett szerkezet mind láthatók, és következtethetünk egy ~milliárd naptömegű fekete lyuk jelenlétére a központban. Van itt egy csomó normális anyag, de valami több, mint csak a normál anyag önmagában, is.
NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI/AURA)
jó úton haladunk a “kozmikus népszámlálás” végrehajtása felé, ahol összeadhatjuk az univerzum összes anyagát és energiáját, és azt, hogy mi alkotja. Az anyagon kívül kis mennyiségben azonosítottuk az antianyagot. A látható univerzumunkban nincsenek csillagok vagy galaxisok, amelyek normál anyag helyett antianyagból készülnének, de vannak antianyagsugarak, amelyek a nagy energiájú természetes motoroktól, például a fekete lyukaktól és a neutroncsillagoktól áramlanak el. Vannak olyan neutrínók is, amelyek az univerzumon keresztül száguldanak, kis tömegben, de hatalmas számban, a forró Ősrobbanás során, valamint a csillagok és a csillagkataklizmák nukleáris folyamataiból származnak.
a probléma természetesen az, hogy amikor az összes közvetlenül mért összetevőt vesszük, alkalmazzuk az univerzumot irányító egyenleteket a kozmosz egészére, és megpróbálunk mindent összerakni, akkor ez nem áll össze. Az általunk ismert törvények és az összetevők, amelyeket közvetlenül felfedeztünk, kombinálva nem tudják megmagyarázni az univerzumot, ahogy látjuk. Különösen van néhány megfigyelés, amelyek úgy tűnik, hogy kölcsönösen kizárják egymást, ha meg akarjuk vizsgálni a nullhipotézist: hogy amit látunk, és amit tudunk, minden van.
egy galaxis, amelyet csak a normál anyag irányított (L), sokkal alacsonyabb forgási sebességet mutatna … a külváros, mint a központ felé, hasonlóan ahhoz, ahogyan a naprendszer bolygói mozognak. A megfigyelések azonban azt mutatják, hogy a forgási sebesség nagymértékben független a galaktikus központ sugarától (R), ami arra a következtetésre vezet, hogy nagy mennyiségű láthatatlan vagy sötét anyagnak kell jelen lennie.
WIKIMEDIA COMMONS user INGO BERG/FORBES/E. SIEGEL
Hallottál már korábban a sötét anyagról, és valószínűleg azért hallottad, hogy szükségünk van rá, hogy “nincs elég normális anyag ahhoz, hogy figyelembe vegyük a gravitáció összes hatását, amit látunk.”A leggyakoribb kérdés, hogy asztrofizikusok kap róla,” nos, mi van, ha van csak több normális anyag odakinn, mint a fajta anyag Vagyunk jó észlelése? Mi van, ha a’ sötét anyag ‘ csak normálisabb anyag, ami történetesen sötét?”
a probléma ezzel az elképzeléssel az, hogy tudjuk — a már meglévő megfigyelésekből—, hogy mennyi normális anyag létezik a látható univerzumban. Az univerzum forróbb és sűrűbb volt a múltban, és amikor a dolgok elég forróak és sűrűek voltak, csak szabad protonok és neutronok létezhettek. Ha megpróbáltak összekapcsolódni a nehezebb magok bármely kombinációjába, az univerzum annyira energikus volt, hogy azonnal szétrobbantották őket. A legkönnyebb elemek, amelyek léteznek:
- hidrogén (1 proton),
- deutérium (1 proton és 1 neutron),
- hélium-3 (2 proton és 1 neutron),
- hélium-4 (2 proton és 2 neutron),
- és lítium-7 (3 proton és 4 neutron)
mind az univerzum első 3-4 percében jöttek létre, így csak miután az univerzum eléggé lehűl, hogy ne pusztuljon el azonnal.
távoli fényforrások – Galaxisokból, kvazárokból, sőt a kozmikus mikrohullámú háttérből is – kell … áthaladnak a felhők a gáz. Az abszorpciós jellemzők, amelyeket látunk, lehetővé teszik számunkra a beavatkozó gázfelhők számos jellemzőjének mérését, beleértve a belsejében lévő fényelemek bőségét is.
Ed Janssen, ESO
ami figyelemre méltó, hogy mivel a részecskéket (és a magfúziót) szabályozó fizikai törvények annyira jól érthetőek, hogy pontosan ki tudjuk számolni-feltételezve, hogy az univerzum egykor melegebb, sűrűbb volt, tágult és lehűlt ebből az állapotból—, hogy ezeknek a különböző fényelemeknek milyen arányoknak kell lenniük. Még a laboratóriumi reakciókat is közvetlenül tanulmányoztuk, és a dolgok pontosan úgy viselkednek, ahogy az elméletünk megjósolja. Az egyetlen tényező, amelyet változtatunk, a foton-Barion arány, amely megmondja nekünk, hogy hány kozmikus foton (fényrészecske) van minden Protonhoz vagy neutronhoz (a barionokhoz) az univerzumunkban.
most mindent megmértünk. Az olyan műholdak, mint a COBE, a WMAP és a Planck megmérték, hogy hány foton van az univerzumban: 411 köbcentiméterenként. A köztünk és egy távoli fényforrás között megjelenő gázfelhők, mint egy világító galaxis vagy kvazár, elnyelik a fény töredékét, amikor az áthalad az univerzumon, megtanítva nekünk ezen elemek és izotópok bőségét közvetlenül. Ha mindent összeadunk, az univerzum összes energiájának csak ~5% – a lehet normális anyag: se több, se kevesebb.
a hélium-4, deutérium, hélium-3 és lítium-7 várható mennyisége az Ősrobbanás előrejelzésének megfelelően … Nukleoszintézis, a vörös körökben látható megfigyelésekkel. Ez egy olyan Univerzumnak felel meg, ahol a kritikus sűrűség ~4-5% – a normál anyag formájában van. További ~25-28% sötét anyag formájában az univerzum teljes anyagának csak körülbelül 15% – a lehet normális, 85% – a sötét anyag formájában.
NASA/WMAP tudományos csapat
az itt említetteken kívül mindenféle megfigyelés létezik, amelyekkel számolnunk kell. A természet egyetemes törvénye nem jó, ha csak bizonyos kiválasztott körülmények között működik; képesnek kell lenned megmagyarázni a kozmikus jelenségek széles skáláját, ha azt akarod, hogy a javasolt kozmológiát komolyan vegyék. Meg kell magyarázni:
- a szerkezet kozmikus hálója, amelyet univerzumunkban látunk, és hogyan alakult ki,
- az egyes galaxisok mérete, tömege és stabilitása,
- a galaxisok sebessége a galaxishalmazok belsejében,
- a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás hőmérsékleti ingadozásai: az Ősrobbanás maradék fénye,
- a gravitációs lencse a galaxishalmazok körül megfigyelhető, mind izoláló, mind ütközési folyamatban lévő galaxisok körül,
- és hogyan változik az univerzum tágulási sebessége az idő múlásával pontosan úgy, ahogy megfigyeltük.
sok más megfigyelés is belefoglalható ebbe a kiválasztásba, de ezeket egy konkrét okból választottuk: egy olyan univerzumban, amely csak normál anyagból, sugárzásból és neutrínókból áll a megfigyelt mennyiségben, nem tudjuk megmagyarázni ezeket a megfigyeléseket. Annak érdekében, hogy megmagyarázzuk a látott univerzumot, valami többre van szükség.
négy ütköző galaxishalmaz, amely a röntgensugarak (rózsaszín) és a gravitáció (kék) elválasztását mutatja, … sötét anyagra utal. Nagy léptékben hideg sötét anyagra van szükség, és nincs alternatíva vagy helyettesítő. A Röntgenfényt létrehozó forró gáz (rózsaszín) feltérképezése azonban nem feltétlenül nagyon jó jelzés arra, hogy hol van a teljes tömeg, amint azt a sötét anyag eloszlása jelzi (kék).
röntgen: NASA / CXC / UVic./ A. Mahdavi et al. Optikai / lencse: CFHT / UVic./ A. Mahdavi et al. (bal felső); röntgen: NASA / CXC/UCDavis / W. Dawson et al.; Optikai: NASA / STScI / UCDavis / W. Dawson et al. (jobb felső rész); ESA/XMM-Newton/F. Gastaldello (INAF/ IASF, Milano, Olaszország)/CFHTLS (bal alsó rész); röntgen: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (Kaliforniai Egyetem, Santa Barbara), és S. Allen (Stanford Egyetem) (jobb alsó rész)
elvileg el lehet képzelni, hogy csak egy új csípés lehet mindent figyelembe venni. Talán, ha elég okosak lennénk, csak hozzáadhatnánk egy új összetevőt, vagy módosíthatnánk a szabályainkat, ami megmagyarázná ezeket a megfigyeléseket együtt. Egyébként ez volt az eredeti ötlet a sötét anyag mögött, amint azt először az 1930-as években javasolta Fritz Zwicky. Ő volt az első, aki mérte a galaxisok sebességét a galaxishalmazok belsejében, és úgy találta, hogy körülbelül 100-szor annyi tömegnek kell lennie, mint amennyit a csillagok el tudnak számolni. Feltételezte egy új összetevőt-a sötét anyagot -, amely mindezért felelős lehet.
tudjuk, hogy a megfigyelésekből és kísérletekből származó sötét anyag nem készíthető a fizika Standard modelljében létező ismert részecskékből. Megtanultuk, hogy a sötét anyag még korán sem lehetett forró vagy gyorsan mozgó; vagy elég masszívnak kell lennie, vagy sok kinetikus energia nélkül kell megszületnie. Megtanultuk, hogy nem tud kölcsönhatásba lépni az erős vagy elektromágneses vagy gyenge erő bármilyen érzékelhető módon. És megtanultuk, hogy ha a hideg sötét anyagnak ezt az egyetlen összetevőjét hozzáadjuk az univerzumhoz, akkor szinte az összes megfigyelés összhangban van.
Ez a részlet egy szerkezet-formáció szimuláció, a terjeszkedés a világegyetem kicsinyített, … több milliárd éves gravitációs növekedést képvisel egy sötét anyagban gazdag univerzumban. Megjegyezzük, hogy a szálak és a gazdag klaszterek, amelyek a szálak metszéspontjában alakulnak ki, elsősorban a sötét anyag miatt keletkeznek; a normál anyag csak kis szerepet játszik.
Ralf k) és Tom Abel (KIPAC) /Oliver Hahn
egyedül a sötét anyaggal sok olyan megfigyelést meg tudunk magyarázni, amelyeket nélküle nem tudunk megmagyarázni. Kapunk egy kozmikus webet; kapunk csillaghalmazokat, amelyek kis galaxisokká egyesülnek, amelyek nagy galaxisokká és végül galaxishalmazokká nőnek; gyorsan mozgó galaxisokat kapunk ezeken a klasztereken belül; elválasztjuk a forró gázt és a gravitáció hatásait, amikor a galaxishalmazok ütköznek; olyan galaxisokat kapunk, amelyek ugyanolyan gyorsan forognak kívülről, mint belülről; jelentős gravitációs lencséket kapunk, összhangban a megfigyelésekkel; olyan hőmérsékleti ingadozásokat kapunk, amelyek megegyeznek a kozmikus mikrohullámú háttérrel, és amelyek megmagyarázzák annak valószínűségét, hogy egy galaxist egy adott távolságra találnak bármely más galaxistól.
de nem kapunk mindent. A sötét anyag az egyetlen extra “dolog”, amit hozzáadhatunk — és kiderül, hogy inkább összetevő, mint módosítás—, hogy megoldja a legtöbb ilyen problémát egyszerre, de nem egészen ad nekünk mindent. Nem oldja meg a tágulási sebesség (nagyobb) problémáját, és nem magyarázza meg azt a (kisebb) rejtvényt, hogy annak ellenére, hogy a normál anyagot 5: 1 arányban meghaladja, az univerzum térben lapos. Valahogy az univerzum teljes energiájának 2/3-át nem számolják el.
Az univerzum különböző lehetséges sorsai, a jobb oldalon látható tényleges, gyorsuló sorsunkkal. … Miután elegendő idő telik el, a gyorsulás minden kötött galaktikus vagy szupergalaktikus struktúrát teljesen elszigetel az univerzumban, mivel az összes többi struktúra visszavonhatatlanul felgyorsul. Csak a múltra tekinthetünk, hogy megállapítsuk a sötét energia jelenlétét és tulajdonságait, amelyek legalább egy állandót igényelnek, de következményei nagyobbak a jövőre nézve.
NASA& ESA
a sötét energia természetesen a második kiegészítő összetevő, amelyet hozzáadhatunk a megfigyelések fennmaradó részének magyarázatához. Úgy működik, mint az energia egy formája, amely magában a térben rejlik, csak akkor válik fontossá, ha az univerzum kibővült, hogy eléggé híguljon és diffundáljon. Ma az univerzum energiájának nagy részét teszi ki, miután az első ~7+ milliárd évben nem volt fontos. Ez pedig a távoli galaxisok gyorsulását okozza, nem pedig lassulását, mivel eltávolodnak tőlünk a táguló univerzumban.
nincs egyetlen módosítás, amely ezeket a megfigyeléseket együttesen magyarázza. Valójában bármilyen más változtatás — akár a törvények megváltoztatásával, akár egy új összetevő hozzáadásával — kevesebb problémát old meg, mint a sötét anyag vagy a sötét energia. A legtöbb versengő ötlet ott van, mint például:
- a gravitáció törvényeinek módosítása,
- a sötét energia dinamikus mező vagy entitás, amely az idővel fejlődik,
- vagy valamilyen bomló sötét anyag vagy korai sötét energia feltalálása,
két végzetes hibája van (vagy mindkettő). Vagy többre van szükségük, mint a sötét anyag és a sötét energia által hozzáadott két új paraméter, vagy nem oldják meg azokat a problémákat, amelyeket a sötét anyag és a sötét energia hozzáadása megold.
Ez a művész benyomása a sötét anyag kis méretű koncentrációját képviseli a galaxishalmazban … MACSJ 1206. A csillagászok megmérték a klaszter által okozott gravitációs lencse mennyiségét, hogy részletes térképet készítsenek a sötét anyag eloszlásáról. Ezeknek a megfigyeléseknek a figyelembevételéhez kis léptékű sötét anyagú alépítménynek kell lennie.
ESA / Hubble, M. Kornmesser
a tudományban a legtöbb ember Occam borotváját használja — azt az elképzelést, hogy a magyarázatok közötti választás miatt a legegyszerűbb általában a legjobb — tévesen. Nem egyszerűbb a gravitáció módosítása, mint a sötét anyag és a sötét energia hozzáadása, nem, Ha ez a módosítás két vagy több hozzáadott paramétert igényel. Nem egyszerűbb bevezetni egy olyan típusú sötét energiát, amely nem más, mint egy kozmológiai állandó; ez utóbbi a sötét energia “vanília” osztálya, és mindenre működik. Ehelyett valami olyasmit kell tennie, mint egy olyan magyarázat kidolgozása, amely csak egy új entitást vezetett be, helyettesítve mind a sötét anyagot, mind a sötét energiát.
bármilyen zavaró is, a sötét anyag és a sötét energia a legegyszerűbb magyarázat. Maga a sötét folyadék ötlet több szabad paramétert igényel. Az év elején bemutatott új relativisztikus MOND vagy Bekenstein régi tenzor-vektor-skaláris gravitációja nemcsak annyi paramétert ad hozzá, mint a sötét anyag és a sötét energia, de még mindig nem tudják megmagyarázni a galaxishalmazokat. A probléma nem az, hogy a sötét anyagnak és a sötét energiának egyszerűen igaznak kell lennie. Ez az, hogy az összes többi ötlet objektíven rosszabb. Bármi is történik valójában az Univerzumunkkal, tartozunk magunknak annyival, hogy folytatjuk a nyomozást. Ez az egyetlen módja annak, hogy valaha is megtudjuk, hogyan működik a természet, egyszerű vagy sem.