een gedetailleerde blik op het heelal onthult dat het gemaakt is van materie en niet van antimaterie, die donker is … materie en donkere energie zijn nodig, en dat we de oorsprong van deze mysteries niet kennen. Echter, de schommelingen in de CMB, de vorming en correlaties tussen grootschalige structuur, en moderne waarnemingen van gravitatielens wijzen allemaal naar hetzelfde beeld.
CHRIS BLAKE en SAM MOORFIELD
Het maakt niet uit hoe vaak we het ook proberen te verbergen, er is een enorm probleem dat ons allemaal in het gezicht staart als het gaat om het universum. Als we maar drie dingen begrepen:
- de wetten die het universum regeren,
- de componenten waaruit het universum bestaat,
- en de omstandigheden waarmee het universum begon,
We zouden in staat zijn om het meest opmerkelijke van allemaal te doen. We zouden een systeem van vergelijkingen kunnen opschrijven dat, met een krachtige genoeg computer tot onze beschikking, zou beschrijven hoe het universum in de loop van de tijd evolueerde om te transformeren van die beginomstandigheden naar het universum dat we nu zien.
elke gebeurtenis die plaatsvond in onze kosmische geschiedenis — tot aan de grenzen van klassieke chaos en kwantumindeterminisme — kon tot in detail gekend en beschreven worden, van de individuele interacties tussen kwantumdeeltjes tot de grootste kosmische schalen van allemaal. Het probleem waar we voor staan, als we precies dat proberen te doen, is dat ondanks alles wat we weten over het universum, wat we voorspellen en wat we waarnemen niet helemaal overeenkomen tenzij we ten minste twee mysterieuze ingrediënten toevoegen: een soort donkere materie en een soort donkere energie. Het is een opmerkelijke puzzel om op te lossen, en iets waar elke astrofysicus rekening mee moet houden. Hoewel velen graag alternatieven presenteren, zijn ze allemaal nog erger dan de onbevredigende oplossing van donkere materie en energie. Hier is de wetenschap waarom.
een bijna perfecte ring van het gravitatielenseffect van de voorgrondmassa. Die Einstein … ringen, ooit alleen een theoretische voorspelling, zijn nu gezien in veel verschillende lenssystemen, tot verschillende gradaties van perfectie. Deze “hoefijzer” vorm is gebruikelijk wanneer de uitlijning is bijna perfect, maar niet helemaal.
ESA / Hubble & NASA
Er zijn een hele reeks metingen die we kunnen maken die hebben geholpen de aard van het heelal te onthullen. We hebben de banen van de planeten gemeten en de afbuiging van licht door de aanwezigheid van massa, wat aantoonde dat Einsteins algemene relativiteit en niet Newton ‘ s wetten van de universele zwaartekracht onze werkelijkheid het best beschrijft. We hebben het gedrag van subatomaire deeltjes, antideeltjes en fotonen blootgelegd, waardoor de kwantumkrachten en-velden die ons universum regeren, worden onthuld. Als we willen simuleren hoe het universum door de tijd is geëvolueerd, moeten we de bekende, aantoonbaar correcte wetten nemen op de schaal die we hebben getest en toepassen op de kosmos als geheel.
we hebben ook een hele reeks eigenschappen kunnen meten over alle objecten die we in het universum kunnen waarnemen. We hebben geleerd hoe sterren schijnen en licht uitzenden, en kunnen veel vertellen over een ster — hoe massief, heet, lichtgevend, oud, rijk aan zware elementen, enz. – door op de juiste manier naar het licht te kijken. Daarnaast zijn vele andere vormen van materie geïdentificeerd, zoals planeten, stellaire lijken, mislukte sterren, gas, stof, plasma en zelfs zwarte gaten.
dit beeld van Melkweg NGC 1275, genomen door Hubble, toont de heldere en actieve röntgenfoto van het melkwegstelsel … sterrenstelsel in het centrum van de Perseus cluster. Geïoniseerde filamenten van gas, een centrale kern en een complexe structuur kunnen allemaal worden gezien, en we kunnen de aanwezigheid van een ~miljard zonnemassa zwart gat in het centrum afleiden. Er is hier veel normale materie, maar ook iets meer dan alleen normale materie.
NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI/AURA)
We zijn goed op weg naar het uitvoeren van een soort “kosmische volkstelling”, waar we alle materie en energie van het universum kunnen optellen en wat het samenstelt. Naast materie hebben we antimaterie in kleine hoeveelheden geïdentificeerd. Er zijn geen sterren of sterrenstelsels buiten, in ons zichtbare universum, gemaakt van antimaterie in plaats van normale materie, maar er zijn stralen van antimaterie die wegstromen van hoge-energetische natuurlijke motoren zoals zwarte gaten en neutronensterren. Er rijden ook neutrino ‘ s door het heelal, klein in massa maar enorm in aantal, gegenereerd tijdens de hete oerknal en ook door nucleaire processen in sterren en ster cataclysmen.
het probleem is natuurlijk dat wanneer we alle ingrediënten nemen die we direct hebben gemeten, de vergelijkingen toepassen die het universum besturen op de kosmos als geheel, en proberen alles samen te voegen, het niet klopt. De wetten die we kennen en de ingrediënten die we direct hebben ontdekt, gecombineerd, kunnen het universum niet verklaren zoals wij het zien. In het bijzonder zijn er een paar observaties die elkaar lijken uit te sluiten als we de nulhypothese willen onderzoeken: dat wat we zien en wat we weten alles is wat er is.
een melkwegstelsel dat alleen door normale materie werd beheerst (L) zou veel lagere rotatiesnelheden in vertonen … de rand dan naar het centrum, vergelijkbaar met hoe planeten in het zonnestelsel bewegen. Waarnemingen geven echter aan dat rotatiesnelheden grotendeels onafhankelijk zijn van straal (R) van het galactische centrum, wat leidt tot de gevolgtrekking dat een grote hoeveelheid onzichtbare of donkere materie aanwezig moet zijn.
Wikimedia COMMONS gebruiker INGO BERG / FORBES/E. SIEGEL
je hebt eerder gehoord over donkere materie, en de reden dat je waarschijnlijk gehoord hebt dat we het nodig hebben is dat, “er niet genoeg normale materie is om alle effecten van zwaartekracht die we zien te verklaren.”De meest voorkomende vraag die astrofysici krijgen over het is,” nou, wat als er gewoon meer normale materie daarbuiten dan de soorten materie die we goed kunnen detecteren? Wat als ‘dark matter’ gewoon meer normale materie is die toevallig donker is?”
het probleem met dat idee is dat we weten — uit waarnemingen die we al hebben — hoeveel normale materie in totaal bestaat binnen het zichtbare universum. Het heelal was heter en dichter in het verleden, en als dingen warm en dicht genoeg waren, konden alleen vrije protonen en neutronen bestaan. Als ze probeerden samen te binden in een combinatie van zwaardere kernen, was het universum zo energiek dat ze onmiddellijk uit elkaar zouden worden geschoten. De lichtste elementen:
- waterstof (1 proton),
- deuterium (zware waterstof (1 proton en 1 neutron),
- helium-3 (2 protonen en 1 neutron),
- helium-4 (2 protonen en 2 neutronen),
- en lithium-7 (3 protonen en 4 neutronen)
werden al gemaakt in de eerste 3-4 minuten van het Universum, de vorming van alleen nadat het Heelal koelt voldoende zodat ze niet onmiddellijk vernietigd.
verre lichtbronnen – van sterrenstelsels, quasars en zelfs de kosmische microgolfachtergrond-moeten… ga door gaswolken. De absorptiekenmerken die we zien stellen ons in staat om veel kenmerken van de tussenliggende gaswolken te meten, inclusief de abundantie van de lichtelementen binnenin.Ed Janssen, ESO
opmerkelijk is dat, omdat de wetten van de fysica die deeltjes (en kernfusie) beheersen zo goed begrepen zijn, we precies kunnen berekenen-ervan uitgaande dat het universum ooit warmer, dichter, en groter en gekoeld was — wat de verschillende verhoudingen van deze verschillende lichtelementen zouden moeten zijn. We hebben zelfs de reacties in het lab bestudeerd, en dingen gedragen zich precies zoals onze theorie voorspelt. De enige factor die we variëren is de foton-baryonverhouding, die ons vertelt hoeveel kosmische fotonen (lichtdeeltjes) er zijn voor elk proton of neutron (de baryonen) in ons universum.
We hebben nu alles gemeten. Satellieten als COBE, WMAP en Planck hebben gemeten hoeveel fotonen er in het heelal zijn: 411 per kubieke centimeter ruimte. Tussenliggende gaswolken die tussen ons en een verre lichtbron verschijnen, zoals een lichtgevend sterrenstelsel of quasar, zullen een fractie van het licht absorberen terwijl het door het universum reist, en ons direct de overvloed van deze elementen en isotopen leren. Als we het allemaal optellen, kan slechts ~5% van de totale energie in het universum normale materie zijn: niet meer en niet minder.
de voorspelde abundanties van helium-4, deuterium, helium-3 en lithium-7 Zoals voorspeld door de oerknal … Nucleosynthese, met waarnemingen in de rode cirkels. Dit komt overeen met een universum waar ~4-5% van de kritische dichtheid in de vorm van normale materie is. Met een andere ~25-28% in de vorm van donkere materie, kan slechts ongeveer 15% van de totale materie in het universum normaal zijn, met 85% in de vorm van donkere materie.
NASA / WMAP Science Team
Er zijn Allerlei observaties, naast de hier genoemde, die we moeten verantwoorden. Een universele wet van de natuur is niet goed als ze alleen werkt onder bepaalde selecte omstandigheden; je moet in staat zijn om een grote verscheidenheid aan kosmische verschijnselen uit te leggen als je wilt dat je voorgestelde kosmologie serieus wordt genomen. Je moet het uitleggen.:
- het kosmische web van structuren zien we in ons Universum en hoe het gevormd,
- de afmetingen, massa ‘ s, en de stabiliteit van individuele sterrenstelsels,
- de snelheden van sterrenstelsels zippen rond in clusters van sterrenstelsels,
- de temperatuurschommelingen tussen de kosmische microgolf achtergrond straling: de Big Bang is overgebleven gloed,
- de gravitatielenzen waargenomen rond clusters van sterrenstelsels, zowel isoleren en die in het proces van botsen,
- en hoe de uitbreiding tarief van het Universum verandert in de loop van de tijd in de juiste mode-we hebben waargenomen om het te veranderen.
er zijn vele andere observaties die we in deze selectie kunnen vouwen, maar deze werden gekozen om een specifieke reden: in een universum dat alleen bestaat uit normale materie, straling en neutrino ‘ s in hun waargenomen hoeveelheden, kunnen we geen van deze observaties verklaren. Om het universum dat we zien te verklaren, is er iets extra ‘ s nodig.
Vier botsende melkwegclusters, die de scheiding tussen röntgenstralen (roze) en zwaartekracht (blauw) tonen … dat duidt op donkere materie. Op grote schaal is koude donkere materie nodig, en geen alternatief of vervanging zal volstaan. Het in kaart brengen van het hete gas dat het Röntgenlicht creëert (roze) is echter niet noodzakelijk een goede indicatie van waar de totale massa is, zoals de verdeling van donkere materie aangeeft (blauw).
X-ray: NASA/CXC / UVic./ A. Mahdavi et al. Optisch / lenzen: CFHT / UVic./ A. Mahdavi et al. (linksboven); röntgenfoto: NASA / CXC / UCDavis / W. Dawson et al.; Optisch: NASA / STScI / UCDavis / W. Dawson et al. (rechtsboven); ESA/XMM-Newton/F. Gastaldello (INAF/ IASF, Milano, Italië)/CFHTLS (linksonder); X-ray: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (University of California, Santa Barbara), en S. Allen (Stanford University) (rechtsonder)
in principe kun je je voorstellen dat slechts één nieuwe tweak alles kan verklaren. Dat we misschien, als we slim genoeg waren, gewoon één nieuw ingrediënt konden toevoegen of één wijziging aan onze regels konden aanbrengen die al deze observaties samen zou verklaren. Dat was trouwens het oorspronkelijke idee achter donkere materie, zoals Fritz Zwicky het voor het eerst voorstelde in de jaren 1930. Hij was de eerste die de snelheden meet van sterrenstelsels die rondzagen in sterrenclusters, en vond dat er ongeveer 100 keer zoveel massa moest zijn als de sterren konden verklaren. Hij veronderstelde een nieuw ingrediënt, donkere materie, dat alles zou kunnen verklaren.we weten dat donkere materie, uit waarnemingen en experimenten, niet kan worden gemaakt van een van de bekende deeltjes die bestaan binnen het standaardmodel van de fysica. We hebben geleerd dat donkere materie niet heet kon zijn, of snel in beweging kon zijn, zelfs al vroeg; het moet vrij massief zijn of het moet geboren zijn zonder veel kinetische energie. We hebben geleerd dat het niet kan interageren door de sterke of elektromagnetische of zwakke kracht op een merkbare manier. En we hebben geleerd dat, als we dit ene ingrediënt van koude donkere materie toevoegen aan het universum, bijna alle observaties op één lijn vallen.
dit fragment uit een structuur-formatie simulatie, met de expansie van het universum geschaald, … vertegenwoordigt miljarden jaren van gravitationele groei in een donkere materie-rijk universum. Merk op dat filamenten en rijke clusters, die zich vormen op de kruising van filamenten, voornamelijk ontstaan als gevolg van donkere materie; normale materie speelt slechts een kleine rol.
Ralf Kähler and Tom Abel(KIPAC) /Oliver Hahn
Met donkere materie alleen kunnen we veel van de waarnemingen verklaren die we niet kunnen verklaren zonder deze. We krijgen een kosmisch web; we krijgen star clusters, die samen in kleine sterrenstelsels die uitgroeien tot grote sterrenstelsels en uiteindelijk clusters; we krijgen snel bewegende sterrenstelsels binnen deze clusters; we krijgen een scheiding tussen warm gas en de effecten van de zwaartekracht wanneer clusters van sterrenstelsels met elkaar botsen; we krijgen sterrenstelsels die draaien net zo snel op de buitenkant als op de binnenkant; we krijgen aanzienlijke gravitatielenzen, in overeenstemming met de waarnemingen; we krijgen temperatuurschommelingen dat het eens is met de kosmische microgolf achtergrond en die verklaren de waarschijnlijkheid van het vinden van een galaxy een bepaalde afstand van een andere melkweg.
maar we krijgen niet alles. Donkere materie is het enige extra “ding” dat we kunnen toevoegen — en het blijkt een ingrediënt te zijn in plaats van een wijziging — om het grootste aantal van deze problemen in één keer op te lossen, maar het geeft ons niet echt alles. Het lost het (grotere) probleem van de expansiesnelheid niet op, en het verklaart niet de (kleinere) puzzel waarom, ondanks het feit dat het de normale materie met een 5-op-1 ratio overtreft, het universum ruimtelijk vlak is. Op de een of andere manier wordt 2/3 van de totale energie van het universum niet verantwoord.
het verschillende mogelijke lot van het universum, met ons werkelijke, versnellende lot aan de rechterkant. … Na voldoende tijd zal de versnelling elke gebonden Galactische of supergalactische structuur volledig geïsoleerd laten in het universum, terwijl alle andere structuren onherroepelijk weg versnellen. We kunnen alleen naar het verleden kijken om de aanwezigheid en eigenschappen van donkere energie af te leiden, die minstens één constante vereisen, maar de implicaties ervan zijn groter voor de toekomst.
NASA & ESA
donkere energie is natuurlijk het tweede extra ingrediënt dat we kunnen toevoegen om de rest van de waarnemingen te verklaren. Het functioneert als een vorm van energie die inherent is aan de ruimte zelf, en wordt pas belangrijk als het universum zich heeft uitgebreid om verdund en diffuus genoeg te worden. Het maakt vandaag de dag het grootste deel uit van de energie van het universum, na de eerste ~7+ miljard jaar onbelangrijk te zijn geweest. Het zorgt ervoor dat verre sterrenstelsels versnellen in plaats van vertragen, terwijl ze van ons wegtrekken in het uitdijende universum.
er is geen enkele wijziging die al deze waarnemingen samen verklaart. In feite, elke andere enkele wijziging die je kunt maken — hetzij door het veranderen van de wetten of het toevoegen van een nieuw ingrediënt — zal minder van deze problemen oplossen dan donkere materie of donkere energie. De meeste van de concurrerende ideeën die er zijn, zoals:
- wijziging van de wetten van de zwaartekracht,
- met donkere energie een dynamisch veld of entiteit zijn die met de tijd evolueert,
- of een soort rottende donkere materie of vroege donkere energie uitvinden,
hebben één (of beide) van twee fatale gebreken. Of ze vereisen meer dan de twee nieuwe parameters die worden toegevoegd door donkere materie en donkere energie, of ze slagen er niet in om alle problemen op te lossen die het toevoegen van donkere materie en donkere energie oplost.
deze artiest impression representeert kleinschalige concentraties van donkere materie in de cluster van het melkwegstelsel … MACSJ 1206. Astronomen hebben de hoeveelheid gravitatielens gemeten die door deze cluster werd veroorzaakt om een gedetailleerde kaart te maken van de verdeling van donkere materie erin. Er moet een substructuur van kleine donkere materie aanwezig zijn om deze waarnemingen te verantwoorden.
ESA / Hubble, M. Kornmesser
in de wetenschap maken de meeste mensen gebruik van Occam ‘ s scheermes — het idee dat, gezien de keuze tussen verklaringen, de eenvoudigste meestal het beste is — ten onrechte. Het is niet eenvoudiger om zwaartekracht aan te passen dan het is om donkere materie en donkere energie toe te voegen, niet als die wijziging twee of meer toegevoegde parameters vereist. Het is niet eenvoudiger om een soort donkere energie te introduceren die iets anders is dan een kosmologische constante; de laatste is de meest “vanille” klasse van donkere energie die er is, en het werkt voor alles. In plaats daarvan zou je iets moeten doen als een verklaring verzinnen die slechts één nieuwe entiteit introduceerde, die zowel donkere materie als donkere energie samen vervangt.
hoe verontrustend het ook is, donkere materie en donkere energie zijn de eenvoudigste verklaring. Een donkere vloeistof idee zelf vereist meerdere vrije parameters. De nieuwe relativistische MOND die eerder dit jaar werd geïntroduceerd of de oude tensor-Vector-scalaire zwaartekracht van Bekenstein voegt niet alleen minstens zoveel parameters toe als donkere materie en donkere energie, maar ze kunnen nog steeds niet verklaren waarom sterrenstelsels clusters zijn. Het probleem is niet dat donkere materie en donkere energie gewoon gelijk moeten hebben. Het is dat alle andere ideeën objectief slechter zijn. Wat er ook echt aan de hand is met ons universum, we zijn het aan onszelf verplicht om het onderzoek voort te zetten. Het is de enige manier waarop we ooit zullen weten hoe de natuur echt werkt, simpel of niet.