um olhar detalhado sobre o universo revela que ele é feito de matéria e não antimatéria, que Escuro … matéria e energia escura são necessárias, e que não sabemos a origem de nenhum destes mistérios. No entanto, as flutuações no CMB, a formação e correlações entre a estrutura em larga escala e as observações modernas de lentes gravitacionais apontam para o mesmo quadro.
CHRIS BLAKE and SAM MOORFIELD
não importa o quanto possamos tentar escondê-lo, há um enorme problema olhando-nos todos na cara quando se trata do universo. Se entendêssemos apenas três coisas:as leis que governam o universo, os componentes que compõem o Universo, e as condições com as quais o universo começou, seríamos capazes de fazer a coisa mais notável de todas. Poderíamos escrever um sistema de equações que, com um computador poderoso o suficiente à nossa disposição, Descreveria Como o universo evoluiu ao longo do tempo para se transformar dessas condições iniciais para o Universo que vemos hoje.cada evento que ocorreu em nossa história cósmica — até os limites do Caos clássico e do indeterminismo quântico-poderia ser conhecido e descrito em grande detalhe, desde as interações individuais entre partículas quânticas até as maiores escalas cósmicas de todas. O problema que enfrentamos quando tentamos fazer exatamente isso, é que apesar de tudo o que sabemos sobre o Universo, o que podemos prever e que observamos não chegam a corresponder a menos que adicione, pelo menos, dois mistério ingredientes: algum tipo de matéria escura e algum tipo de energia escura. É um puzzle notável para resolver, e algo com que todos os astrofísicos têm de contar. Enquanto muitos gostam de apresentar alternativas, eles são todos ainda piores do que a correção insatisfatória de matéria escura e energia. Eis a ciência do porquê.
a near-perfect ring from the gravitational lensing effect of the foreground mass. Estes Einstein … Anéis, uma vez uma previsão teórica apenas, foram agora vistos em muitos sistemas lensed diferentes, em vários graus da perfeição. Esta forma de ferradura é comum quando o alinhamento é quase perfeito, mas não completamente.
ESA/Hubble & NASA
Há toda uma série de medidas que podem fazer o que tem ajudado a revelar a natureza do Universo. Medimos as órbitas dos planetas e a deflexão da luz devido à presença de massa, o que mostrou que a Relatividade Geral de Einstein e não as leis de Newton da gravitação universal descrevem melhor a nossa realidade. Descobrimos o comportamento de partículas subatómicas, antipartículas e fótons, revelando as forças e campos quânticos que governam o nosso universo. Se quisermos simular como o universo evoluiu através do tempo, temos que pegar as leis conhecidas e comprovadamente corretas nas escalas que testamos e aplicá-las ao cosmos como um todo.também conseguimos medir toda uma série de propriedades sobre todos os objetos que podemos observar em todo o universo. Aprendemos como as estrelas brilham e emitem luz, e podemos dizer muito sobre uma estrela — quão massiva, quente, luminosa, velha, rica em elementos pesados, etc. – só olhando para a sua luz da maneira correcta. Além disso, muitas outras formas de matéria, tais como planetas, corpos estelares, estrelas falhadas, gás, poeira, plasma, e até mesmo buracos negros foram todos identificados.
esta imagem da galáxia NGC 1275, tomada por Hubble, mostra a brilhante e ativa galáxia X-ray … emitindo galáxia no centro do aglomerado Perseus. Filamentos ionizados de gás, um núcleo central e uma estrutura complexa podem ser vistos, e podemos inferir a presença de um buraco negro de massa solar de ~bilhões no centro. Há muita coisa normal aqui, mas algo mais do que apenas matéria normal, também.
NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI/AURA)
We’re well on our way to performing a “cosmic census” of sorts, where we can add up all the matter and energy of the Universe and what’s composing it. Além da matéria, identificamos antimatéria em pequenas quantidades. Não há estrelas ou galáxias lá fora, dentro do nosso universo visível, feitas de antimatéria em vez de matéria normal, mas há jatos de antimatéria a fluir de motores naturais de alta energia como buracos negros e Estrelas de nêutrons. Há também neutrinos acelerando através do universo, pequeno em massa, mas enorme em número, gerado durante o Big Bang quente e também a partir de processos nucleares em estrelas e cataclismos estelares.
O problema, é claro, é que quando pegamos todos os ingredientes que medimos diretamente, aplicamos as equações que governam o universo ao cosmos como um todo, e tentamos colocar tudo junto, ele não faz sentido. As leis que conhecemos e os ingredientes que descobrimos diretamente, quando combinados, não podem explicar o universo como o vemos. Em particular, há algumas observações que parecem mutuamente exclusivas se quisermos examinar a hipótese nula: que o que vemos e o que sabemos é tudo o que existe.
uma galáxia governada apenas pela matéria normal (L) exibiria velocidades de rotação muito mais baixas em … os arredores do que em direção ao centro, semelhante a como os planetas no sistema Solar se movem. No entanto, observações indicam que as velocidades de rotação são em grande parte independentes do raio (R) do centro galáctico, levando à conclusão de que uma grande quantidade de matéria invisível, ou escura, deve estar presente.
WIKIMEDIA COMMONS USER INGO BERG/FORBES/E. SIEGEL
você já ouviu falar sobre matéria negra antes, e a razão pela qual provavelmente ouviu que precisamos é que, “não há matéria normal suficiente para explicar todos os efeitos da gravidade que vemos.”A questão mais comum que os astrofísicos têm sobre isso é,” bem, e se há apenas mais matéria normal lá fora do que os tipos de matéria que somos bons em detectar? E se “matéria negra” é apenas matéria mais normal que acontece ser escura?”
O problema com essa ideia é que nós sabemos — a partir de observações que já temos — quanta matéria normal no total existe dentro do universo visível. O Universo era mais quente e denso no passado, e quando as coisas eram quentes e densas o suficiente, apenas prótons e nêutrons livres poderiam existir. Se eles tentassem se unir em qualquer combinação de núcleos mais pesados, O Universo era tão energético que eles seriam imediatamente destruídos. O mais leve dos elementos que existem:
- de hidrogênio (1 próton),
- deutério (1 próton e 1 nêutron),
- hélio-3 (2 prótons e 1 nêutron),
- hélio-4 (2 prótons e 2 nêutrons),
- e bateria de lítio-7 (3 prótons e 4 nêutrons)
foram criados no primeiro 3-4 minutos do Universo, formando somente depois que o Universo se resfria o suficiente para que eles não instantaneamente destruídos.
fontes Distantes de luz – de galáxias, quasares, e até mesmo o fundo cósmico de microondas – must … passar por nuvens de gás. As características de absorção que vemos nos permitem medir muitas características sobre as nuvens de gás que intervêm, incluindo a abundância dos elementos de luz no interior.
Ed Janssen, o ESO
o Que é notável é que, porque as leis da física que governam as partículas (e fusão nuclear) são tão bem-entendido, podemos calcular exatamente, partindo do princípio de que o Universo era uma vez mais gostosa, mais denso, e se expandiu e resfriado do que o estado que as diferentes proporções destes diferentes elementos leves deveria ser. Até estudamos as reacções no laboratório directamente, e as coisas comportam-se exactamente como a nossa teoria prevê. O único fator que variamos é a razão fóton-bárion, que nos diz quantos fótons cósmicos (partículas de luz) existem para cada próton ou nêutron (os bárions) em nosso universo.agora medimos tudo. Satélites como COBE, WMAP e Planck mediram quantos fótons existem no universo: 411 por centímetro cúbico de espaço. Nuvens de gás que aparecem entre nós e uma fonte de luz distante, como uma galáxia luminosa ou quasar, absorverão uma fração da luz enquanto viaja pelo Universo, ensinando-nos a abundância desses elementos e isótopos diretamente. Quando somamos tudo, apenas ~5% da energia total no universo pode ser matéria normal: nem mais nem menos.
a abundância prevista de hélio-4, deutério, hélio-3 e lítio-7 como previsto pelo Big Bang … Nucleossíntese, com observações mostradas nos círculos vermelhos. Isto corresponde a um universo onde ~4-5% da densidade crítica está na forma de matéria normal. Com outros ~25-28% na forma de matéria escura, apenas cerca de 15% da matéria total no universo pode ser normal, com 85% na forma de matéria escura.
NASA / WMAP Science Team
Existem todos os tipos de observações, além das mencionadas aqui, que temos de explicar. Uma lei universal da natureza não é boa se ela só funciona sob determinadas condições selecionadas; você tem que ser capaz de explicar uma grande variedade de fenômenos cósmicos se você quer que sua cosmologia proposta seja levada a sério. Tens de explicar.:
- a teia de estrutura cósmica vemos em nosso Universo e como ele se formou,
- os tamanhos, massas e estabilidade das galáxias individuais,
- as velocidades das galáxias fechando ao redor dentro de aglomerados de galáxias,
- a flutuações de temperatura impresso na radiação cósmica de fundo: o Big Bang é uma sobra de fulgor,
- as lentes gravitacionais observadas em torno de aglomerados de galáxias, tanto isolar e no processo de colisão,
- e como a taxa de expansão do Universo alterações ao longo do tempo, no exato de moda observamos que para mudar.
Existem muitas outras observações que podemos dobrar nesta seleção, mas estas foram escolhidas por uma razão específica: em um universo feito apenas de matéria normal, radiação, e neutrinos em suas quantidades observadas, não podemos explicar nenhuma destas observações. Para explicar o Universo que vemos, algo adicional é necessário.
quatro aglomerados de galáxias colidindo, mostrando a separação entre raios-X (rosa) e gravitação (azul), … indicativo de matéria negra. Em grandes escalas, matéria escura fria é necessária, e nenhuma alternativa ou substituto serve. No entanto, mapear o gás quente que cria a luz de raios X (rosa) não é necessariamente uma indicação muito boa de onde está a massa total, como a distribuição da matéria escura indica (azul).
raio-X: NASA / CXC / UVic./ A. Mahdavi et al. Óptica / lente: CFHT / UVic./ A. Mahdavi et al. (top left); X-ray: NASA/CXC/UCDavis/W. Dawson et al.; Optico: NASA / STScI / UCDavis / W. Dawson et al. (canto superior direito); ESA/XMM-Newton/F. Gastaldello (INAF/ IASF, Milano, Itália)/CFHTLS (canto inferior esquerdo); X-ray: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (Universidade da Califórnia, Santa Bárbara), e S. Allen (Universidade de Stanford) (canto inferior direito)
Em princípio, você poderia imaginar que apenas um novo tweak pode explicar tudo. Que talvez, se fôssemos inteligentes o suficiente, poderíamos apenas adicionar um novo ingrediente ou fazer uma modificação às nossas regras que explicaria todas essas observações em conjunto. Essa foi a ideia original por trás da matéria escura, já agora, como foi proposto pela primeira vez na década de 1930 por Fritz Zwicky. Ele foi o primeiro a medir as velocidades das galáxias andando em torno de aglomerados de galáxias, e descobriu que precisava haver algo como ~100 vezes mais massa que as estrelas poderiam explicar. Ele colocou a hipótese de um novo ingrediente, matéria negra, que pode explicar tudo.
sabemos que a matéria escura, a partir de observações e experimentos, não pode ser feita de nenhuma das partículas conhecidas que existem dentro do Modelo Padrão da física. Aprendemos que a matéria escura não pode ter sido quente, ou rápida, mesmo no início; ou precisa ser bastante massiva ou precisa ter nascido sem muita energia cinética. Aprendemos que não pode interagir através da força forte, eletromagnética ou fraca de forma apreciável. E aprendemos que, se adicionarmos este ingrediente de matéria escura fria ao universo, quase todas as observações caem na linha.
Este trecho de uma simulação de formação de estrutura, com a expansão do universo escalado, … representa biliões de anos de crescimento gravitacional num universo rico em matéria negra. Note que filamentos e aglomerados ricos, que se formam na intersecção de filamentos, surgem principalmente devido à matéria escura; a matéria normal desempenha apenas um papel menor.
Ralf Kähler and Tom Abel (KIPAC)/Oliver Hahn
apenas com a matéria negra, podemos explicar muitas das observações que não podemos explicar sem ela. Temos uma teia cósmica; temos aglomerados de estrelas fundem-se em pequenas galáxias que crescem em grandes galáxias e, eventualmente, aglomerados de galáxias; ficamos rápido movimento de galáxias dentro desses clusters; temos uma separação entre o gás quente e os efeitos da gravidade quando aglomerados de galáxias colidem, nós galáxias que giram rapidamente em fora, como por dentro, nós significativo de lente gravitacional, consistente com as observações; temos flutuações de temperatura que concorda com a radiação cósmica de fundo e que explicam a probabilidade de encontrar uma galáxia a uma determinada distância a partir de qualquer outra galáxia.mas não temos tudo. A matéria escura é a única “coisa” extra que podemos adicionar — e acaba por ser um ingrediente ao invés de uma modificação-para resolver o maior número desses problemas de uma só vez, mas não nos dá tudo. Ele não resolve o problema (maior) da taxa de expansão, e não explica o quebra-cabeça (menor) do porquê, apesar de superar a matéria normal por uma razão de 5 para 1, O Universo é espacialmente plano. De alguma forma, dois terços da energia total do universo não foi contabilizada.
os diferentes destinos possíveis do universo, com o nosso destino real e acelerado mostrado à direita. … Após o tempo suficiente passar, a aceleração irá deixar todas as estruturas galácticas ou supergalácticas ligadas completamente isoladas no universo, à medida que todas as outras estruturas se aceleram irrevogavelmente para longe. Só podemos olhar para o passado para inferir a presença e propriedades da energia escura, que requerem pelo menos uma constante, mas suas implicações são maiores para o futuro.
NASA & SEC
a energia Escura, é claro, é o segundo ingrediente adicional podemos adicionar para explicar o restante das observações. Ela funciona como uma forma de energia inerente ao próprio espaço, apenas se tornando importante quando o universo se expandiu para se tornar diluído e difuso o suficiente. Ela constitui a maior parte da energia do universo hoje, depois de não ter importância nos primeiros ~7 bilhões de anos. E faz com que galáxias distantes acelerem, em vez de desacelerarem, enquanto se afastam de nós no universo em expansão.
não existe uma única modificação que explique todas estas observações em conjunto. Na verdade, qualquer outra modificação que você possa fazer — seja alterando as leis ou adicionando um novo ingrediente — irá resolver menos destes problemas do que a matéria escura ou a energia escura irá. A maioria das ideias concorrentes lá fora, tais como:ter energia escura é um campo dinâmico ou entidade que evolui com o tempo, ou inventar algum tipo de matéria escura decadente ou energia escura precoce, tem uma (ou ambas) de duas falhas fatais. Ou eles exigem mais do que os dois novos parâmetros que são adicionados pela matéria escura e energia escura, ou eles não conseguem resolver todos os problemas que a adição de matéria escura e energia escura resolve.
a impressão deste artista representa pequenas concentrações de matéria escura no aglomerado galáctico … MACSJ 1206. Astrônomos mediram a quantidade de lentes gravitacionais causadas por este aglomerado para produzir um mapa detalhado da distribuição de matéria escura nele. Deve haver uma subestrutura em pequena escala de matéria escura presente para dar conta dessas observações.
ESA / Hubble, M. Kornmesser
Na ciência, a maioria das pessoas fazem uso da navalha de Occam — a noção de que, dada a escolha entre explicações, a mais simples é normalmente a melhor erroneamente. Não é mais simples modificar a gravidade do que adicionar matéria escura e energia escura, não se essa modificação requer dois ou mais parâmetros adicionados. Não é mais simples introduzir um tipo de energia escura que é qualquer coisa que não seja uma constante cosmológica; esta última é a classe mais “baunilha” de energia escura que existe, e funciona para tudo. Em vez disso, você teria que fazer algo como inventar uma explicação que introduziu apenas uma nova entidade, substituindo tanto a matéria escura como a energia escura juntos.por mais desconcertante que seja, matéria escura e energia escura são a explicação mais simples. Uma ideia de fluido escuro precisa de vários parâmetros livres. O novo MOND relativístico introduzido no início deste ano ou a antiga gravidade tensor-vector-escalar de Bekenstein não só adiciona pelo menos tantos parâmetros como a matéria escura e a energia escura, mas eles ainda não conseguem explicar os aglomerados de galáxias. O problema não é que a matéria escura e a energia escura simplesmente têm que estar certas. É que todas as outras ideias são objetivamente piores. O que quer que esteja realmente a acontecer com o nosso universo, devemos a nós mesmos continuar a investigação. É a única forma de sabermos como a natureza realmente funciona, simples ou não.