szczegółowe spojrzenie na wszechświat ujawnia, że jest on zbudowany z materii, a nie antymaterii, tak ciemnej … Materia i ciemna energia są potrzebne, a my nie znamy pochodzenia żadnej z tych tajemnic. Jednak fluktuacje w CMB, powstawanie i korelacje między strukturą wielkoskalową, a współczesnymi obserwacjami soczewkowania grawitacyjnego wskazują na ten sam obraz.
CHRIS BLAKE i SAM MOORFIELD
bez względu na to, jak bardzo możemy próbować to ukryć, istnieje ogromny problem, który spogląda nam wszystkim w twarz, jeśli chodzi o Wszechświat. Gdybyśmy zrozumieli tylko trzy rzeczy:
- prawa rządzące wszechświatem,
- składniki, które tworzą Wszechświat,
- i warunki, od których wszechświat się zaczął,
moglibyśmy zrobić najbardziej niezwykłą rzecz ze wszystkich. Moglibyśmy zapisać układ równań, który, mając do dyspozycji wystarczająco potężny komputer, opisałby, jak wszechświat ewoluował w czasie, aby przekształcić się z tych warunków początkowych w wszechświat, który widzimy dzisiaj.
każde zdarzenie, które miało miejsce w naszej kosmicznej historii — aż po granice klasycznego chaosu i kwantowego indeterminizmu — można było poznać i opisać bardzo szczegółowo, od indywidualnych oddziaływań między cząstkami kwantowymi po największe ze wszystkich skal kosmicznych. Problem, z jakim mamy do czynienia, gdy próbujemy to zrobić, polega na tym, że pomimo wszystkiego, co wiemy o wszechświecie, to co przewidujemy i co obserwujemy nie do końca pasuje, chyba że dodamy co najmniej dwa tajemnicze składniki: jakiś rodzaj ciemnej materii i jakiś rodzaj ciemnej energii. To niezwykła zagadka do rozwiązania i coś, z czym każdy astrofizyk musi się liczyć. Podczas gdy wielu lubi przedstawiać alternatywy, wszystkie są jeszcze gorsze niż niezadowalająca poprawka ciemnej materii i energii. Oto nauka dlaczego.
pierścień prawie doskonały z efektu soczewkowania grawitacyjnego masy pierwszoplanowej. Ci Einstein … pierścienie, niegdyś tylko przewidywania teoretyczne, były obecnie widoczne w wielu różnych systemach soczewkowanych, w różnym stopniu doskonałości. Ten kształt „podkowy” jest powszechny, gdy wyrównanie jest prawie idealne, ale nie do końca.
ESA / Hubble& NASA
istnieje cała masa pomiarów, które możemy wykonać, które pomogły odkryć naturę wszechświata. Zmierzyliśmy orbity planet i odchylenie światła ze względu na obecność masy, co pokazało, że ogólna teoria względności Einsteina, a nie prawa Newtona o uniwersalnej grawitacji najlepiej opisuje naszą rzeczywistość. Odkryliśmy zachowanie cząsteczek subatomowych, antycząstek i fotonów, ujawniając kwantowe siły i pola rządzące naszym wszechświatem. Jeśli chcemy symulować ewolucję wszechświata w czasie, musimy wziąć znane, wyraźnie poprawne prawa na skalach, które przetestowaliśmy, i zastosować je do kosmosu jako całości.
byliśmy również w stanie zmierzyć cały szereg właściwości wszystkich obiektów, które możemy obserwować w całym wszechświecie. Nauczyliśmy się, jak gwiazdy świecą i emitują światło, i możemy wiele powiedzieć o gwieździe-jak masywne, gorące, Świetliste, stare, bogate w ciężkie pierwiastki itp. – patrząc na jego światło we właściwy sposób. Ponadto zidentyfikowano wiele innych form materii, takich jak planety, ciała Gwiezdne, Gwiazdy, Gaz, pył, Plazma, a nawet czarne dziury.
to zdjęcie galaktyki NGC 1275, wykonane przez Hubble ’ a, przedstawia jasne i aktywne promieniowanie rentgenowskie galaktyki … galaktyka emitująca w centrum gromady Perseusz. Zjonizowane włókna gazu, jądro centralne i złożona struktura są widoczne i możemy wywnioskować obecność czarnej dziury o masie ~ miliarda mas Słońca w centrum. Jest tu dużo normalnej materii, ale coś więcej niż tylko zwykła Materia.
NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI / AURA)
jesteśmy na dobrej drodze do przeprowadzenia „kosmicznego spisu”, w którym możemy zsumować całą materię i energię wszechświata oraz to, co go składa. Oprócz materii, zidentyfikowaliśmy antymaterię w małych ilościach. W naszym widzialnym wszechświecie nie ma gwiazd ani galaktyk, zbudowanych z antymaterii, a nie z normalnej materii, ale są dżety antymaterii strumieniujące się z wysokoenergetycznych silników naturalnych, takich jak czarne dziury i gwiazdy neutronowe. Istnieją również przepływające przez wszechświat neutrina, o niewielkiej masie, ale ogromnej liczbie, generowane podczas gorącego Wielkiego Wybuchu, a także w wyniku procesów jądrowych w gwiazdach i gwiezdnych kataklizmów.
problem polega oczywiście na tym, że kiedy weźmiemy wszystkie składniki, które bezpośrednio zmierzyliśmy, zastosujemy równania rządzące wszechświatem do kosmosu jako całości i spróbujemy wszystko połączyć, to się nie sumuje. Prawa, które znamy i składniki, które bezpośrednio odkryliśmy, po połączeniu, nie mogą wyjaśnić wszechświata, jaki widzimy. W szczególności istnieje kilka obserwacji, które wydają się wzajemnie wykluczać, jeśli chcemy zbadać hipotezę zerową: że to, co widzimy i co wiemy, jest wszystkim, co istnieje.
galaktyka, która była rządzona przez samą normalną materię (L), wykazywałaby znacznie niższe prędkości obrotowe … obrzeża niż w kierunku centrum, podobnie jak poruszają się planety w Układzie Słonecznym. Jednak obserwacje wskazują, że prędkości obrotowe są w dużej mierze niezależne od promienia (R) od centrum galaktyki, co prowadzi do wniosku, że duża ilość niewidzialnej lub ciemnej materii musi być obecna.
użytkownik WIKIMEDIA COMMONS INGO BERG/FORBES/E. SIEGEL
słyszałeś już o ciemnej materii, a powodem, dla którego prawdopodobnie słyszałeś, że jej potrzebujemy, jest to, że „nie ma wystarczającej ilości normalnej materii, aby uwzględnić wszystkie efekty grawitacji, które widzimy.”Najczęściej zadawane przez astrofizyków pytanie brzmi:” a co, jeśli jest tam więcej normalnej materii niż tego typu, w których jesteśmy dobrzy? Co jeśli „ciemna materia” jest po prostu bardziej normalną materią, która okazuje się być ciemna?”
problem z tą ideą polega na tym, że wiemy — z obserwacji, które już mamy — ile normalnej materii w ogóle istnieje w widzialnym wszechświecie. W przeszłości Wszechświat był gorętszy i gęstszy, a kiedy rzeczy były wystarczająco gorące i gęste, mogły istnieć tylko wolne protony i neutrony. Gdyby próbowały połączyć się w jakąkolwiek kombinację cięższych jąder, Wszechświat byłby tak energiczny, że natychmiast zostałyby rozerwane na strzępy. Najlżejsze istniejące pierwiastki:
- Wodór (1 proton),
- Deuter (1 proton i 1 neutron),
- hel-3 (2 protony i 1 neutron),
- Hel-4 (2 protony i 2 neutrony),
- I lit-7 (3 protony i 4 neutrony)
powstały w pierwszych 3-4 minutach wszechświata, tworzące się dopiero po tym, jak wszechświat ochłodzi się wystarczająco, aby nie zostały natychmiast zniszczone.
odległe Źródła światła – od galaktyk, kwazarów, a nawet kosmicznego mikrofalowego tła – muszą … przejść przez chmury gazu. Cechy absorpcji, które widzimy, pozwalają nam zmierzyć wiele cech przenikających się chmur gazu, w tym obfitość elementów świetlnych wewnątrz.
Ed Janssen, ESO
niezwykłe jest to, że ponieważ prawa fizyki rządzące cząstkami (i fuzją jądrową) są tak dobrze zrozumiane, możemy dokładnie obliczyć-zakładając, że Wszechświat był kiedyś gorętszy, gęstszy, rozszerzony i schłodzony od tego stanu — jakie powinny być różne proporcje tych różnych elementów światła. Badaliśmy nawet reakcje bezpośrednio w laboratorium i wszystko zachowuje się dokładnie tak, jak przewiduje nasza teoria. Jedynym czynnikiem, który zmieniamy, jest stosunek fotonu do barionu, który mówi nam, ile kosmicznych fotonów (cząstek światła) jest dla każdego protonu lub neutronu (barionów) w naszym wszechświecie.
zmierzyliśmy już wszystko. Satelity takie jak COBE, WMAP i Planck zmierzyły ilość fotonów we wszechświecie: 411 na centymetr sześcienny przestrzeni. Interferujące chmury gazu, które pojawiają się między nami a odległym źródłem światła, jak świetlista galaktyka lub Kwazar, pochłoną ułamek światła podczas podróży przez wszechświat, ucząc nas obfitości tych pierwiastków i izotopów bezpośrednio. Kiedy to wszystko zsumujemy, tylko ~ 5% całkowitej energii we wszechświecie może być normalną materią: nie więcej i nie mniej.
przewidywane ilości helu-4, deuteru, helu-3 i litu-7 zgodnie z przewidywaniami Wielkiego Wybuchu … Nukleosynteza, z obserwacjami pokazanymi w czerwonych kręgach. Odpowiada to Wszechświatowi, w którym ~4-5% gęstości krytycznej ma postać normalnej materii. Z innym ~25-28% w postaci ciemnej materii, tylko około 15% całkowitej materii we wszechświecie może być normalne, z 85% w postaci ciemnej materii.
zespół naukowy NASA/WMAP
istnieją różnego rodzaju obserwacje, oprócz tych wymienionych tutaj, które musimy uwzględnić. Uniwersalne prawo natury nie jest dobre, jeśli działa tylko w określonych, wybranych warunkach; musicie być w stanie wyjaśnić szeroką gamę zjawisk kosmicznych, jeśli chcecie, aby Wasza proponowana kosmologia była traktowana poważnie. Musisz wyjaśnić:
- kosmiczna sieć struktury, którą widzimy w naszym wszechświecie i jak się tworzy,
- rozmiary, masy i stabilność poszczególnych galaktyk,
- prędkości galaktyk obracających się wewnątrz gromad galaktyk,
- fluktuacje temperatury odciśnięte w kosmicznym mikrofalowym promieniowaniu tła: pozostały blask Wielkiego Wybuchu,
- soczewkowanie grawitacyjne obserwowane wokół gromad galaktyk, zarówno izolujących, jak i zderzających się,
- > i jak tempo ekspansji Wszechświata zmienia się w czasie dokładnie tak, jak to zaobserwowaliśmy.
istnieje wiele innych obserwacji, które możemy włączyć do tej selekcji, ale zostały one wybrane z konkretnego powodu: we wszechświecie zbudowanym tylko z normalnej materii, promieniowania i neutrin w ich obserwowanych ilościach, nie możemy wyjaśnić żadnej z tych obserwacji. Aby wyjaśnić wszechświat, który widzimy, potrzebne jest coś dodatkowego.
cztery zderzające się gromady galaktyk, pokazujące separację pomiędzy promieniami rentgenowskimi (różowymi) i grawitacyjnymi (niebieskimi),… wskazuje na ciemną materię. Na dużych skalach zimna ciemna materia jest konieczna i Żadna alternatywa lub substytut nie wystarczy. Jednak mapowanie gorącego gazu, który tworzy światło rentgenowskie (różowy), niekoniecznie jest bardzo dobrym wskazaniem, gdzie znajduje się całkowita masa, jak wskazuje rozkład ciemnej materii (niebieski).
rentgen: NASA/CXC/UVic./ A. Mahdavi et al. Optyczna / soczewkowa: CFHT / UVic./ A. Mahdavi et al. (u góry po lewej); rentgen: NASA / CXC/UCDavis / W. Dawson et al.; Optyczne: NASA / STScI/UCDavis / W. Dawson et al. (u góry po prawej); ESA / XMM-Newton / F. Gastaldello (INAF/IASF, Milano, Włochy) /CFHTLS (u dołu po lewej); rentgen: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (University of California, Santa Barbara) i S. Allen (Stanford University) (u dołu po prawej)
w zasadzie można sobie wyobrazić, że tylko jeden nowy tweak może wyjaśnić wszystko. To może, gdybyśmy byli wystarczająco sprytni, moglibyśmy dodać jeden nowy składnik lub wprowadzić jedną modyfikację do naszych zasad, która wyjaśniałaby wszystkie te obserwacje razem. Tak przy okazji, to była pierwotna idea ciemnej materii, którą po raz pierwszy zaproponował Fritz Zwicky w latach 30. Jako pierwszy zmierzył prędkości galaktyk krążących wewnątrz gromad galaktyk i odkrył, że musi być około 100 razy większa masa niż Gwiazdy. Postawił hipotezę o nowym składniku-ciemnej materii – który może to wszystko wyjaśnić.
wiemy, że ciemna materia, z obserwacji i eksperymentów, nie może być złożona ze znanych cząstek, które istnieją w standardowym modelu fizyki. Dowiedzieliśmy się, że ciemna materia nie mogła być gorąca ani szybko poruszająca się, nawet wcześnie; musi być albo dość masywna, albo musi narodzić się bez dużej energii kinetycznej. Dowiedzieliśmy się, że nie może oddziaływać poprzez silną, elektromagnetyczną lub słabą siłę w jakikolwiek znaczący sposób. I dowiedzieliśmy się, że jeśli dodamy ten jeden składnik zimnej ciemnej materii do wszechświata, prawie wszystkie obserwacje się zgadzają.
Ten fragment z symulacji tworzenia struktury, z rozszerzaniem się Wszechświata, … reprezentuje miliardy lat grawitacyjnego wzrostu we wszechświecie bogatym w ciemną materię. Zauważ, że włókna i bogate skupiska, które tworzą się na przecięciu włókien, powstają głównie z powodu ciemnej materii; normalna Materia odgrywa tylko niewielką rolę.
Ralf Kähler i Tom Abel (Kipac) /Oliver Hahn
mając tylko ciemną materię, możemy wyjaśnić wiele obserwacji, których bez niej nie możemy wyjaśnić. Dostajemy Kosmiczną sieć; otrzymujemy gromady gwiazd, które łączą się w małe galaktyki, które rozrastają się w duże galaktyki i ostatecznie gromady galaktyk; otrzymujemy szybko poruszające się galaktyki w obrębie tych gromad; otrzymujemy separację pomiędzy gorącym gazem i wpływem grawitacji, gdy gromady galaktyk zderzają się; otrzymujemy galaktyki, które obracają się tak szybko Na zewnątrz, jak i wewnątrz; otrzymujemy znaczące soczewkowanie grawitacyjne, zgodne z obserwacjami; otrzymujemy wahania temperatury, które zgadzają się z kosmicznym tłem mikrofalowym i które wyjaśniają prawdopodobieństwo znalezienia galaktyki w określonej odległości od jakiejkolwiek innej galaktyki.
ale nie do końca rozumiemy wszystko. Ciemna materia jest jedyną dodatkową „rzeczą”, którą możemy dodać — i okazuje się, że jest składnikiem, a nie modyfikacją — aby rozwiązać największą liczbę tych problemów naraz, ale nie daje nam wszystkiego. Nie rozwiązuje on (większego) problemu szybkości ekspansji i nie wyjaśnia (mniejszej) zagadki, dlaczego, pomimo pokonania normalnej materii o stosunek 5 do 1, Wszechświat jest przestrzennie płaski. W jakiś sposób nie uwzględniono 2/3 całkowitej energii wszechświata.
różne możliwe losy wszechświata, z naszym rzeczywistym, przyspieszającym losem pokazanym po prawej stronie. … Po upływie wystarczająco dużo czasu, przyspieszenie pozostawi każdą związaną galaktyczną lub supergalaktyczną strukturę całkowicie odizolowaną we wszechświecie, ponieważ wszystkie inne struktury przyspieszają nieodwołalnie. Możemy tylko spojrzeć w przeszłość, aby wywnioskować obecność i właściwości ciemnej energii, które wymagają co najmniej jednej stałej, ale jej implikacje są większe na przyszłość.
NASA& ESA
ciemna energia jest oczywiście drugim dodatkowym składnikiem, który możemy dodać, aby wyjaśnić resztę obserwacji. Funkcjonuje jako forma energii nieodłącznej samej przestrzeni, staje się ważna tylko wtedy, gdy Wszechświat rozszerza się, aby stać się wystarczająco rozcieńczony i rozproszony. Stanowi większość energii wszechświata dzisiaj, po tym, jak nie ma znaczenia dla pierwszych ~ 7 + miliardów lat. Powoduje to, że odległe galaktyki przyspieszają, a nie zwalniają, oddalając się od nas w rozszerzającym się wszechświecie.
nie ma jednej modyfikacji, która wyjaśniałaby wszystkie te obserwacje razem. W rzeczywistości każda inna pojedyncza modyfikacja, którą możesz wprowadzić-zmieniając prawa lub dodając nowy składnik-rozwiąże mniej tych problemów niż ciemna materia lub ciemna energia. Większość konkurencyjnych pomysłów, takich jak:
- modyfikowanie praw grawitacji,
- posiadanie ciemnej energii jest dynamicznym polem lub bytem ewoluującym z czasem,
- lub wymyślanie jakiegoś rodzaju rozpadającej się ciemnej materii lub wczesnej ciemnej energii,
ma jedną (lub obie) z dwóch fatalnych wad. Albo wymagają więcej niż dwóch nowych parametrów, które są dodawane przez ciemną materię i ciemną energię, albo nie rozwiązują wszystkich problemów, które rozwiązuje dodanie ciemnej materii i ciemnej energii.
to wrażenie artysty przedstawia niewielkie skupiska ciemnej materii w gromadzie galaktyk … MACSJ 1206 Astronomowie zmierzyli wielkość soczewek grawitacyjnych wywołanych przez tę gromadę, aby stworzyć szczegółową mapę rozkładu ciemnej materii w niej. Musi istnieć mała podbudowa ciemnej materii, aby uwzględnić te obserwacje.
ESA / Hubble, M. Kornmesser
w nauce większość ludzi używa brzytwy Occama — pogląd, że przy wyborze między wyjaśnieniami, najprostsze jest zwykle najlepsze — błędnie. Nie jest łatwiej zmodyfikować grawitację niż dodać ciemną materię i ciemną energię, nie jeśli ta modyfikacja wymaga dwóch lub więcej dodanych parametrów. Nie jest prostsze wprowadzenie typu ciemnej energii, która jest czymś innym niż stała kosmologiczna; ta ostatnia jest najbardziej „waniliową” klasą ciemnej energii, jaka istnieje i działa na wszystko. Zamiast tego, trzeba by zrobić coś takiego jak wymyślenie wyjaśnienia, które wprowadziło tylko jedną nową istotę, zastępując zarówno ciemną materię, jak i ciemną energię razem.
jakkolwiek jest to niepokojące, ciemna materia i ciemna energia są najprostszym wyjaśnieniem. Sam pomysł ciemnego płynu wymaga wielu wolnych parametrów. Nowy relatywistyczny MOND wprowadzony na początku tego roku lub stary tensor-wektor-skalarna grawitacja Bekensteina nie tylko dodaje co najmniej tyle parametrów, co ciemna materia i ciemna energia, ale nadal nie są w stanie wyjaśnić gromad galaktyk. Problem nie polega na tym, że ciemna materia i ciemna energia muszą mieć rację. Chodzi o to, że wszystkie inne pomysły są obiektywnie gorsze. Cokolwiek naprawdę dzieje się z naszym wszechświatem, jesteśmy sobie winni kontynuować śledztwo. Tylko w ten sposób dowiemy się, jak działa natura, prosta czy nie.