CHRIS BLAKE og SAM MOORFIELD
Uansett hvor mye vi kan prøve å skjule det, er det et enormt problem som stirrer oss alle i ansiktet når Det kommer Til Universet. Hvis vi forstår bare tre ting:
- lovene som styrer Universet,
- komponentene Som Utgjør Universet,
- og betingelsene Som Universet startet med,
vi ville være i stand til å gjøre det mest bemerkelsesverdige av alt. Vi kunne skrive ned et system av ligninger som, med en kraftig nok datamaskin til rådighet, ville beskrive hvordan Universet utviklet seg over tid for å forvandle seg fra de opprinnelige forholdene til Universet vi ser i dag.Hver eneste hendelse som skjedde i vår kosmiske historie-til grensene for klassisk kaos og kvanteindeterminisme — kunne bli kjent og beskrevet i detalj, fra de individuelle samspillet mellom kvantepartikler til de største kosmiske skalaene av alle. Problemet vi står overfor, når vi prøver å gjøre akkurat det, er at til tross for alt vi vet om Universet, hva vi forutsier og hva vi observerer, stemmer ikke helt med mindre vi legger til minst to mystiske ingredienser: en slags mørk materie og en slags mørk energi. Det er et bemerkelsesverdig puslespill å løse, og noe hver astrofysiker må regne med. Mens mange elsker å presentere alternativer, er de alle enda verre enn den utilfredsstillende løsningen av mørk materie og energi. Her er vitenskapen om hvorfor.
en nesten perfekt ring fra gravitasjonslinseffekten av forgrunnsmassen. Disse Einstein … ringer, en gang en teoretisk prediksjon bare, har nå blitt sett i mange forskjellige linsesystemer, til ulike grader av perfeksjon. Denne» hestesko » – formen er vanlig når justeringen er nesten perfekt, men ikke helt.
ESA/Hubble & NASA
det er en hel rekke målinger vi kan gjøre som har bidratt til å avsløre Universets natur. Vi har målt planetens baner og avbøyning av lys på grunn av tilstedeværelsen av masse, som viste At Einsteins Generelle Relativitet og Ikke Newtons gravitasjonslover best beskriver vår virkelighet. Vi har avdekket oppførselen til subatomære partikler, antipartikler og fotoner, og avslører kvantekrefter og felt som styrer Vårt Univers. Hvis Vi vil simulere Hvordan Universet utviklet seg gjennom tiden, må vi ta de kjente, beviselig korrekte lovene på skalaene vi har testet dem og bruke dem på kosmos som helhet.
Vi har også vært i stand til å måle en hel rekke egenskaper om alle objektene vi kan observere i Hele Universet. Vi har lært hvordan stjerner skinner og avgir lys, og kan fortelle mye om en stjerne — hvor massiv, varm,lysende, gammel, rik på tunge elementer, etc. – bare ved å se på lyset på riktig måte. I tillegg har mange andre former for materie, som planeter, stjernekropper, mislykkede stjerner, gass, støv, plasma og til og med svarte hull blitt identifisert.
Dette bildet AV galaksen NGC 1275, tatt Av Hubble, viser den lyse og aktive galaksen Røntgen … emitting galaxy i sentrum Av Perseus-klyngen. Ioniserte filamenter av gass, en sentral kjerne og en kompleks struktur kan alle ses, og vi kan utlede tilstedeværelsen av et ~ milliard solmassesort hull i sentrum. Det er mye vanlig sak her, men noe mer enn bare vanlig sak alene også.
NASA, ESA, Hubble Heritage (STSCI/AURA)
Vi er godt på vei til å utføre en» kosmisk folketelling » av former, hvor vi kan legge opp All materie Og energi I Universet og hva som komponerer Det. I tillegg til materie har vi identifisert antimaterie i små mengder. Det er ingen stjerner eller galakser der ute, i vårt synlige Univers, laget av antimaterie i stedet for vanlig materie, men det er antimatterstråler som strømmer bort fra høy-energi naturlige motorer som svarte hull og nøytronstjerner. Det er også nøytriner som går gjennom Universet, lite i masse, men enormt i antall, generert under det varme Big Bang og også fra nukleare prosesser i stjerner og stjernekatastrofer.problemet er selvfølgelig at når vi tar alle ingrediensene vi har målt direkte, bruker ligningene som styrer Universet til kosmos som helhet, og prøver å sette alt sammen, legger det ikke opp. Lovene vi kjenner og ingrediensene vi har direkte oppdaget, når kombinert, kan ikke forklare Universet slik vi ser Det. Spesielt er det noen observasjoner som synes å være gjensidig utelukkende hvis vi vil undersøke nullhypotesen: at det vi ser og det vi vet er alt som er.
en galakse som ble styrt av normal materie alene (L) ville vise mye lavere rotasjonshastigheter i … utkanten enn mot sentrum, ligner på hvordan planeter i Solsystemet beveger seg. Observasjoner indikerer imidlertid at rotasjonshastigheten i stor grad er uavhengig av radius (R) fra det galaktiske sentrum, noe som fører til at en stor mengde usynlig eller mørk materie må være tilstede.
WIKIMEDIA COMMONS-BRUKER INGO BERG / FORBES/E. SIEGEL
du har hørt om mørk materie før, og grunnen til at du sannsynligvis har hørt at vi trenger det er at «det er ikke nok vanlig materie til å redegjøre for alle effektene av tyngdekraften som vi ser.»Det vanligste spørsmålet som astrofysikere får om det er,» vel, hva om det bare er mer vanlig sak der ute enn de typer saken vi er gode til å oppdage? Hva om ‘mørk materie’ er bare mer vanlig materie som skjer for å være mørk?»problemet med den ideen er at vi vet — fra observasjoner vi allerede har-hvor mye normal materie totalt eksisterer i Det synlige Universet. Universet var varmere og tettere i fortiden, og når ting var varme og tette nok, kunne bare frie protoner og nøytroner eksistere. Hvis De forsøkte å binde sammen til en kombinasjon av tyngre kjerner, Var Universet så energisk at De umiddelbart ville bli sprengt fra hverandre. De letteste grunnstoffene som finnes:
- hydrogen (1 proton),
- deuterium (1 proton og 1 nøytron),
- helium-3 (2 protoner og 1 nøytron),
- helium-4 (2 protoner og 2 nøytroner),
- og litium-7 (3 protoner og 4 nøytroner)
universet, som bare dannes etter at universet er avkjølt tilstrekkelig slik at de ikke umiddelbart blir ødelagt.
Ed Janssen, ESO
det som er bemerkelsesverdig er at fordi fysikkens lover som styrer partikler (og kjernefysisk fusjon) er så godt forstått, kan vi beregne nøyaktig — forutsatt At Universet en gang var varmere, tettere og utvidet og avkjølt fra den tilstanden — hva de forskjellige forholdene til disse forskjellige lyselementene burde være. Vi har selv studert reaksjonene i laboratoriet direkte, og ting oppfører seg akkurat som vår teori forutsier. Den eneste faktoren vi varierer er foton-til-baryon-forholdet, som forteller oss hvor mange kosmiske fotoner (partikler av lys) det er for hver proton eller nøytron (baryonene) i Vårt Univers.
vi har nå målt alt. Satellitter som COBE, WMAP og Planck har målt hvor mange fotoner Det er i Universet: 411 per kubikkcentimeter plass. Mellomliggende skyer av gass som vises mellom oss og en fjern lyskilde, som en lysende galakse eller kvasar, vil absorbere en brøkdel av lyset når det beveger Seg gjennom Universet, og lærer oss overflodene av disse elementene og isotoper direkte. Når vi legger alt sammen, kan bare ~5% av Den totale energien I Universet være normal materie: ikke mer og ikke mindre.
den forventede forekomsten av helium-4, deuterium, helium-3 og litium-7 som spådd Av Big Bang … Nukleosyntese, med observasjoner vist i de røde sirkler. Dette tilsvarer Et Univers hvor ~4-5% av den kritiske tettheten er i form av normal materie. Med en annen ~25-28% i form av mørk materie, kan bare ca 15% av Den totale saken i Universet være normal, med 85% i form av mørk materie.
NASA/WMAP Science Team
det er alle slags observasjoner, i tillegg til de som er nevnt her, som vi må regne med. En universell naturlov er ikke bra hvis den bare virker under visse utvalgte forhold; du må kunne forklare et bredt spekter av kosmiske fenomener hvis du vil at din foreslåtte kosmologi skal tas alvorlig. Du må forklare:
- det kosmiske nettet av struktur vi ser i Vårt Univers og hvordan Det ble dannet,
- størrelsene, massene og stabiliteten til individuelle galakser,
- hastigheten til galakser som glir rundt i galaksehoper,
- temperaturvariasjonene som er trykt i den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen: Big Bangs gjenværende glød,
- gravitasjonslinsen observert rundt klynger av galakser, både isolerende og de som er i ferd med å kollidere,
- og hvordan ekspansjonshastigheten til universet endres over tid på den nøyaktige måten vi har observert at den endrer seg.det Er mange andre observasjoner vi kan kaste inn i dette valget, men disse ble valgt av en bestemt grunn: i Et Univers som bare er laget av normal materie, stråling og nøytriner i deres observerte mengder, kan vi ikke forklare noen av disse observasjonene. For å forklare Universet vi ser, er det nødvendig med noe ekstra.
i prinsippet kan du forestille deg at bare en ny tweak kan utgjøre alt. At kanskje, hvis vi var klare nok, kunne vi bare legge til en ny ingrediens eller gjøre en endring i våre regler som ville forklare alle disse observasjonene sammen. Det var den opprinnelige ideen bak mørk materie, forresten, som Det først ble foreslått på 1930-tallet Av Fritz Zwicky. Han var den første til å måle hastigheten på galakser som suste rundt innsiden av galakse-klynger, og fant det nødvendig å være noe som ~100 ganger så mye masse som stjernene kunne utgjøre. Han antydet en ny ingrediens-mørk materie – som kan utgjøre alt.Vi vet at mørk materie, fra observasjoner og eksperimenter, ikke kan gjøres av noen av de kjente partiklene som eksisterer Innenfor standardmodellen av fysikk. Vi har lært at mørk materie ikke kunne vært varm eller rask, selv tidlig; det må enten være ganske massivt eller det må ha blitt født uten mye kinetisk energi. Vi har lært at det ikke kan samhandle gjennom sterk eller elektromagnetisk eller svak kraft på noen merkbar måte. Og vi har lært at hvis vi legger til denne ingrediensen av kaldt mørkt materiale Til Universet, faller nesten alle observasjonene i tråd.
denne utdrag Fra en struktur-formasjon simulering, med utvidelse Av Universet skalert ut, … representerer milliarder av år med gravitasjonsvekst i et mørkt materierikt Univers. Merk at filamenter og rike klynger, som dannes ved skjæringspunktet mellom filamenter, oppstår hovedsakelig på grunn av mørk materie; normal materie spiller bare en mindre rolle.
Ralf Kä Og Tom Abel (KIPAC) /Oliver Hahn
med mørk materie alene kan vi forklare mange av observasjonene vi ikke kan redegjøre for uten det. Vi får en kosmisk web; vi får stjernehoper som smelter sammen i små galakser som vokser til store galakser og til slutt galakse klynger; vi får raskt bevegelige galakser i disse klyngene; vi får en adskillelse mellom varm gass og effekten av tyngdekraften når klynger av galakser kolliderer; vi får galakser som roterer like raskt på utsiden som de gjør på innsiden; vi får betydelig gravitasjonslinsing, i samsvar med observasjoner; vi får temperaturvariasjoner som er enige med den kosmiske mikrobølgebakgrunnen og som forklarer sannsynligheten for å finne en galakse en bestemt avstand fra enhver annen galakse.
Men vi får ikke helt alt. Mørk materie er den eneste ekstra «tingen» vi kan legge til — og det viser seg å være en ingrediens i stedet for en modifikasjon — for å løse det største antallet av disse problemene på en gang, men det gir oss ikke helt alt. Det løser ikke det (større) problemet med ekspansjonshastigheten, og det forklarer ikke det (mindre) puslespillet om hvorfor, til tross for å utmasse normal materie med et 5-til-1-forhold, Er Universet romlig flatt. På en eller annen måte er en full 2/3 Av Universets totale energi ikke regnskapsført.
universets forskjellige mulige skjebner, med vår faktiske, akselererende skjebne vist til høyre. … Etter at nok tid går, vil akselerasjonen forlate hver bundet galaktisk eller supergalaktisk struktur helt isolert i Universet, da alle de andre strukturene akselererer uigenkallelig bort. Vi kan bare se på fortiden for å utlede mørk energis tilstedeværelse og egenskaper, som krever minst en konstant, men dens implikasjoner er større for fremtiden.
NASA& ESA
Mørk energi er selvfølgelig den andre ekstra ingrediensen vi kan legge til for å forklare resten av observasjonene. Det fungerer som en form for energi som er iboende i selve rommet, og blir bare viktig når Universet har utvidet seg for å bli fortynnet og diffust nok. Det utgjør størstedelen Av Universets energi i dag, etter å ha vært ubetydelig i de første ~ 7 + milliarder årene. Og det får fjerne galakser til å akselerere, i stedet for å bremse, når de beveger seg bort fra oss i det ekspanderende Universet.
det er ingen enkelt modifikasjon som forklarer alle disse observasjonene sammen. Faktisk vil enhver annen enkelt modifikasjon du kan gjøre — enten ved å endre lovene eller legge til en ny ingrediens — løse færre av disse problemene enn mørk materie eller mørk energi vil. De fleste av de konkurrerende ideene der ute, for eksempel:å ha mørk energi være et dynamisk felt eller entitet som utvikler seg med tiden,
- eller oppfinne en slags forfallende mørk materie eller tidlig mørk energi,
har en (eller begge) av to fatale feil. Enten krever de mer enn de to nye parametrene som legges til av mørk materie og mørk energi, eller de klarer ikke å løse alle problemene som legger til mørk materie og mørk energi løser.
denne kunstneriske fremstillingen representerer små konsentrasjoner av mørk materie i galaksehopen … MACSJ 1206. Astronomer målte mengden gravitasjonslinsing forårsaket av denne klyngen for å produsere et detaljert kart over fordelingen av mørk materie i den. Det må være småskala mørk materie understruktur til stede for å ta hensyn til disse observasjonene.
ESA / Hubble, M. Kornmesser
i vitenskapen bruker de fleste Occams barberhøvel — tanken om at gitt valget mellom forklaringer, er den enkleste vanligvis best-feilaktig. Det er ikke enklere å endre tyngdekraften enn det er å legge til mørk materie og mørk energi, ikke hvis den modifikasjonen krever to eller flere ekstra parametere. Det er ikke enklere å introdusere en type mørk energi som er noe annet enn en kosmologisk konstant; sistnevnte er den mest «vanilje» klassen av mørk energi som finnes, og den fungerer for alt. I stedet må du gjøre noe som å lage en forklaring som introduserte bare en ny enhet, og erstatte både mørk materie og mørk energi sammen.
som urovekkende som det er, mørk materie og mørk energi er den enkleste forklaringen. En mørk væskeidee i seg selv krever flere frie parametere. Den nye relativistiske MOND introdusert tidligere i år eller Den gamle tensor-vektor-skalare tyngdekraften Til Bekenstein legger ikke bare til minst like mange parametere som mørk materie og mørk energi, men de kan fortsatt ikke forklare galakse-klynger. Problemet er ikke at mørk materie og mørk energi bare må være riktig. Det er at alle de andre ideene er objektivt verre. Uansett hva som virkelig skjer Med Vårt Univers, skylder vi oss selv å fortsette undersøkelsen. Det er den eneste måten vi noen gang vil vite hvordan naturen virkelig fungerer, enkelt eller ikke.