Singura mare problemă cu toate alternativele la materia întunecată și energia întunecată

CHRIS BLAKE și SAM MOORFIELD

indiferent cât de mult am încerca să-l ascundem, există o problemă enormă care ne privește pe toți în față când vine vorba de Univers. Dacă am înțelege doar trei lucruri:

1. legile care guvernează universul,
2. componentele care alcătuiesc universul,
3. și Condițiile cu care Universul a început,

am fi capabili să facem cel mai remarcabil lucru dintre toate. Am putea scrie un sistem de ecuații care, cu un computer suficient de puternic la dispoziția noastră, ar descrie modul în care Universul a evoluat în timp pentru a se transforma din acele condiții inițiale în universul pe care îl vedem astăzi.fiecare eveniment care a avut loc în istoria noastră cosmică — până la limitele haosului clasic și ale indeterminismului cuantic — ar putea fi cunoscut și descris în detaliu, de la interacțiunile individuale dintre particulele cuantice până la cele mai mari scări cosmice dintre toate. Problema cu care ne confruntăm, atunci când încercăm să facem exact acest lucru, este că, în ciuda a tot ceea ce știm despre univers, ceea ce prezicem și ceea ce observăm nu se potrivesc dacă nu adăugăm cel puțin două ingrediente misterioase: un anumit tip de materie întunecată și un anumit tip de energie întunecată. Este un puzzle remarcabil de rezolvat și ceva cu care orice astrofizician trebuie să țină cont. În timp ce mulți adoră să prezinte alternative, toate sunt chiar mai rele decât soluția nesatisfăcătoare a materiei și energiei întunecate. Iată știința de ce.

există o mulțime de măsurători pe care le putem face care au ajutat la dezvăluirea naturii universului. Am măsurat orbitele planetelor și deformarea luminii datorită prezenței masei, ceea ce a arătat că relativitatea generală a lui Einstein și nu legile gravitației universale ale lui Newton descriu cel mai bine realitatea noastră. Am descoperit comportamentul particulelor subatomice, antiparticulelor și fotonilor, dezvăluind forțele cuantice și câmpurile care guvernează universul nostru. Dacă vrem să simulăm modul în care Universul a evoluat în timp, trebuie să luăm legile cunoscute, demonstrabil corecte, pe scările pe care le-am testat și să le aplicăm cosmosului în ansamblu.de asemenea, am putut măsura o serie întreagă de proprietăți despre toate obiectele pe care le putem observa în univers. Am învățat cum stelele strălucesc și emit lumină și putem spune multe despre o stea — cât de masivă, fierbinte, luminoasă, veche, bogată în elemente grele etc. – doar privindu-i lumina în modul potrivit. În plus, multe alte forme de materie, cum ar fi planetele, cadavrele stelare, stelele eșuate, gazul, praful, plasma și chiar găurile negre au fost identificate.

suntem pe cale de a efectua un „recensământ cosmic” de soiuri, unde putem aduna toată materia și energia Universului și ceea ce îl compune. Pe lângă materie, am identificat antimateria în cantități mici. Nu există stele sau galaxii acolo, în universul nostru vizibil, făcute din antimaterie în loc de materie normală, dar există jeturi de antimaterie care se îndepărtează de motoarele naturale de mare energie, cum ar fi găurile negre și stelele neutronice. Există, de asemenea, neutrini care se deplasează prin Univers, mici în masă, dar enorme în număr, generate în timpul Big Bang-ului fierbinte și, de asemenea, din procesele nucleare din stele și cataclisme stelare.problema, desigur, este că atunci când luăm toate ingredientele pe care le-am măsurat direct, aplicăm ecuațiile care guvernează universul cosmosului ca întreg și încercăm să punem totul împreună, nu se adaugă. Legile pe care le cunoaștem și ingredientele pe care le-am descoperit direct, atunci când sunt combinate, nu pot explica universul așa cum îl vedem. În special, există câteva observații care par să se excludă reciproc dacă vrem să examinăm ipoteza nulă: că ceea ce vedem și ceea ce știm este tot ce există.

ați mai auzit despre materia întunecată și motivul pentru care probabil ați auzit că avem nevoie de ea este că „nu există suficientă materie normală pentru a explica toate efectele gravitației pe care le vedem.”Cea mai frecventă întrebare pe care o primesc astrofizicienii este:” Ei bine, dacă există mai multă materie normală decât tipurile de materie pe care suntem buni să le detectăm? Ce se întâmplă dacă ‘materia întunecată’ este doar o materie mai normală care se întâmplă să fie întunecată?”

problema cu această idee este că știm — din observațiile pe care le avem deja — cât de multă materie normală există în total în universul vizibil. Universul era mai fierbinte și mai dens în trecut, iar când lucrurile erau suficient de calde și dense, puteau exista doar protoni și neutroni liberi. Dacă ar încerca să se lege împreună într-o combinație de nuclee mai grele, Universul ar fi atât de energic încât ar fi imediat aruncat în afară. Cele mai ușoare elemente care există:

• hidrogen (1 proton),
• deuteriu (1 proton și 1 neutron),
• heliu-3 (2 protoni și 1 neutron),
• heliu-4 (2 protoni și 2 neutroni),
• și litiu-7 (3 protoni și 4 neutroni)

au fost toate create în primele 3-4 minute ale Universului, formând numai după ce universul se răcește suficient, astfel încât acestea să nu fie distruse instantaneu.

ceea ce este remarcabil este că, deoarece legile fizicii care guvernează particulele (și fuziunea nucleară) sunt atât de bine înțelese, putem calcula exact-presupunând că Universul a fost odată mai fierbinte, mai dens, extins și răcit din acea stare — care ar trebui să fie diferitele rapoarte ale acestor elemente luminoase diferite. Am studiat chiar reacțiile din laborator direct, și lucrurile se comportă exact așa cum prezice teoria noastră. Singurul factor pe care îl variem este raportul foton-Barion, care ne spune câți fotoni cosmici (particule de lumină) există pentru fiecare proton sau neutron (barionii) din universul nostru.

am măsurat acum totul. Sateliți precum COBE, WMAP și Planck au măsurat câți fotoni există în univers: 411 pe centimetru cub de spațiu. Norii de gaz care intervin între noi și o sursă de lumină îndepărtată, precum o galaxie luminoasă sau quasar, vor absorbi o fracțiune din lumină în timp ce călătorește prin Univers, învățându-ne abundențele acestor elemente și izotopi direct. Când adunăm totul, doar ~5% din energia totală din univers poate fi materie normală: nici mai mult, nici mai puțin.

există tot felul de observații, pe lângă cele menționate aici, pe care trebuie să le luăm în considerare. O lege universală a naturii nu este bună dacă funcționează doar în anumite condiții selectate; trebuie să puteți explica o mare varietate de fenomene cosmice dacă doriți ca cosmologia propusă să fie luată în serios. Trebuie să explici:

• pânza cosmică a structurii pe care o vedem în universul nostru și modul în care s-a format,
• dimensiunile, masele și stabilitatea galaxiilor individuale,
• vitezele galaxiilor care zipping în interiorul clusterelor de galaxii,
• fluctuațiile de temperatură imprimate în radiația cosmică de fond cu microunde: strălucirea rămasă a Big Bang-ului,
• lentila gravitațională observată în jurul clusterelor de galaxii, atât izolate, cât și cele în proces de coliziune,
• și cum rata de expansiune a universului se schimbă în timp, exact așa cum am observat că se schimbă.

există multe alte observații pe care le putem plia în această selecție, dar acestea au fost alese dintr-un motiv specific: într-un univers format doar din materie normală, radiații și neutrini în cantitățile lor observate, nu putem explica niciuna dintre aceste observații. Pentru a explica universul pe care îl vedem, este nevoie de ceva suplimentar.

în principiu, vă puteți imagina că o singură modificare nouă ar putea explica totul. Că poate, dacă am fi destul de deștepți, am putea adăuga un ingredient nou sau să facem o modificare a regulilor noastre care să explice toate aceste observații împreună. Apropo, aceasta a fost ideea originală din spatele materiei întunecate, așa cum a fost propusă pentru prima dată în anii 1930 de Fritz Zwicky. El a fost primul care a măsurat viteza galaxiilor care se rotesc în interiorul grupurilor de galaxii și a descoperit că trebuie să existe ceva de aproximativ 100 de ori mai multă masă decât ar putea explica stelele. El a emis ipoteza unui nou ingredient – materia întunecată-care ar putea explica totul.

știm că materia întunecată, din observații și experimente, nu poate fi făcută din niciuna dintre particulele cunoscute care există în modelul standard al fizicii. Am învățat că materia întunecată nu ar fi putut fi fierbinte sau în mișcare rapidă, nici măcar de timpuriu; fie trebuie să fie destul de masivă, fie trebuie să se fi născut fără multă energie cinetică. Am învățat că nu poate interacționa prin forța puternică sau electromagnetică sau slabă într-un mod apreciabil. Și am învățat că, dacă adăugăm acest ingredient al materiei întunecate reci în univers, aproape toate observațiile se încadrează în linie.

numai cu materia întunecată, putem explica multe dintre observațiile pe care nu le putem explica fără ea. Avem o rețea cosmică; obținem roiuri stelare care se contopesc în galaxii mici care cresc în galaxii mari și în cele din urmă roiuri de galaxii; obținem galaxii cu mișcare rapidă în interiorul acestor roiuri; obținem o separare între gazul fierbinte și efectele gravitației atunci când roiurile de galaxii se ciocnesc; obținem galaxii care se rotesc la fel de repede în exterior ca și în interior; obținem lentile gravitaționale semnificative, în concordanță cu observațiile; obținem fluctuații de temperatură care sunt de acord cu fundalul cosmic de microunde și care explică probabilitatea de a găsi o galaxie la o anumită distanță de orice altă galaxie.

dar nu prea obținem totul. Materia întunecată este singurul „lucru” suplimentar pe care îl putem adăuga — și se dovedește a fi mai degrabă un ingredient decât o modificare — pentru a rezolva cel mai mare număr de aceste probleme dintr-o dată, dar nu ne oferă totul. Nu rezolvă problema (mai mare) a ratei de expansiune și nu explică puzzle-ul (mai mic) de ce, în ciuda depășirii materiei normale cu un raport de 5 la 1, Universul este spațial plat. Într-un fel, un total de 2/3 din energia totală a Universului nu este contabilizată.

energia întunecată, desigur, este al doilea ingredient suplimentar pe care îl putem adăuga pentru a explica restul observațiilor. Funcționează ca o formă de energie inerentă spațiului însuși, devenind importantă doar atunci când Universul s-a extins pentru a deveni suficient de diluat și difuz. Ea constituie cea mai mare parte a energiei Universului astăzi, după ce a fost neimportantă pentru primii ~7+ miliarde de ani. Și face ca galaxiile îndepărtate să accelereze, mai degrabă decât să încetinească, pe măsură ce se îndepărtează de noi în universul în expansiune.

nu există o singură modificare care să explice toate aceste observații împreună. De fapt, orice altă modificare pe care o puteți face — fie prin schimbarea legilor, fie prin adăugarea unui ingredient nou — va rezolva mai puține dintre aceste probleme decât materia întunecată sau energia întunecată. Cele mai multe dintre ideile concurente acolo, cum ar fi:

• modificând legile gravitației,
• având energia întunecată un câmp dinamic sau o entitate care evoluează cu timpul,
• sau inventând un fel de materie întunecată în descompunere sau energie întunecată timpurie,

au unul (sau ambele) din două defecte fatale. Fie necesită mai mult decât cei doi parametri noi care sunt adăugați de materia întunecată și energia întunecată, fie nu reușesc să rezolve toate problemele pe care adăugarea materiei întunecate și a energiei întunecate le rezolvă.

în știință, majoritatea oamenilor folosesc briciul lui Occam — noțiunea că, având în vedere alegerea dintre explicații, cea mai simplă este de obicei cea mai bună — în mod eronat. Nu este mai simplu să modifici gravitația decât să adaugi materie întunecată și energie întunecată, nu dacă această modificare necesită doi sau mai mulți parametri adăugați. Nu este mai simplu să introducem un tip de energie întunecată care este altceva decât o constantă cosmologică; aceasta din urmă este cea mai „vanilie” clasă de energie întunecată care există și funcționează pentru orice. În schimb, ar trebui să faceți ceva de genul să inventați o explicație care a introdus o singură entitate nouă, înlocuind atât materia întunecată, cât și energia întunecată împreună.

pe cât de deconcertantă este, materia întunecată și energia întunecată sunt cea mai simplă explicație. O idee fluidă întunecată în sine necesită mai mulți parametri liberi. Noul Mond relativist introdus la începutul acestui an sau vechea gravitație tensor-vector-scalară a lui Bekenstein nu numai că adaugă cel puțin la fel de mulți parametri ca materia întunecată și energia întunecată, dar încă nu pot explica grupurile de galaxii. Problema nu este că materia întunecată și energia întunecată trebuie pur și simplu să aibă dreptate. Este că toate celelalte idei sunt în mod obiectiv mai rele. Orice se întâmplă cu adevărat cu universul nostru, ne datorăm nouă înșine să continuăm ancheta. Este singurul mod în care vom ști vreodată cum funcționează cu adevărat natura, simplu sau nu.