Wszystko, co kiedykolwiek zaobserwowaliśmy we Wszechświecie, od materii po promieniowanie, może zostać rozłożone na najmniejsze elementy. Wszystko na tym świecie składa się z atomów, które składają się z nukleonów i elektronów, a nukleony są podzielone na kwarki i gluony. Światło składa się również z cząstek: fotonów. Nawet fale grawitacyjne w teorii składają się z grawitonów: cząstek, które pewnego dnia, przy odrobinie szczęścia, znajdziemy i naprawimy. Ale co z ciemną materią? Nie można zaprzeczyć pośrednim dowodom jego istnienia. Ale czy powinien też składać się z cząstek?
Przywykliśmy do myślenia, że ciemna materia składa się z cząstek i beznadziejnie próbujemy je wykryć. Ale co, jeśli szukamy w złym miejscu?
Jeśli ciemną energię można zinterpretować jako energię właściwą tkance samej przestrzeni, czy może być tak, że „ciemna materia” jest również wewnętrzną funkcją samej przestrzeni - blisko lub w niewielkim stopniu związana z ciemną energią? I że zamiast ciemnej materii, efekty grawitacyjne, które mogą wyjaśniać nasze obserwacje, będą w większym stopniu spowodowane „ciemną masą”?
Cóż, specjalnie dla ciebie fizyk Ethan Siegel przedstawił nasze podejścia teoretyczne i możliwe scenariusze.
Jedną z najbardziej interesujących cech wszechświata jest relacja jeden do jednego między tym, co jest we wszechświecie, a tym, jak zmienia się tempo ekspansji w czasie. Dzięki wielu starannym pomiarom wielu odmiennych źródeł - gwiazd, galaktyk, supernowych, kosmicznego mikrofalowego tła i wielkoskalowych struktur Wszechświata - byliśmy w stanie zmierzyć oba, określając, z czego zbudowany jest Wszechświat. Zasadniczo istnieje wiele różnych pomysłów na temat tego, z czego może się składać nasz Wszechświat i wszystkie one mają różny wpływ na ekspansję kosmiczną.
Dzięki uzyskanym danym wiemy teraz, że wszechświat składa się z:
- 68% ciemnej energii, która zachowuje stałą gęstość energii, nawet gdy przestrzeń się rozszerza;
Film promocyjny:
- 27% ciemnej materii, która wykazuje siłę grawitacji, rozmywa się wraz ze wzrostem objętości i nie pozwala na jej pomiar przy użyciu żadnej innej znanej siły;
- 4,9% zwykłej materii, która przejawia wszystkie siły, jest rozmyta wraz ze wzrostem objętości, sęka w grudki i składa się z cząstek;
- 0,1% neutrin, które wykazują oddziaływanie grawitacyjne i elektrosłabe, składa się z cząstek i uderzają o siebie tylko wtedy, gdy zwalniają na tyle, aby zachowywać się jak materia, a nie promieniowanie;
- 0,01% fotonów, które wykazują oddziaływanie grawitacyjne i elektromagnetyczne, zachowuje się jak promieniowanie i jest rozmyte zarówno wraz ze wzrostem objętości, jak i przy wydłużaniu długości fal.
Z biegiem czasu te różne składniki stają się względnie mniej lub bardziej ważne, a ten procent reprezentuje to, z czego składa się dzisiejszy wszechświat.
Ciemna energia, jak wynika z naszych najlepszych pomiarów, ma te same właściwości w każdym punkcie przestrzeni, we wszystkich kierunkach i we wszystkich epizodach naszej kosmicznej historii. Innymi słowy, ciemna energia jest jednorodna i izotropowa: wszędzie i zawsze taka sama. O ile nam wiadomo, ciemna energia nie potrzebuje cząstek; łatwo może być właściwością tkwiącą w strukturze przestrzeni.
Ale ciemna materia jest zasadniczo inna.
Aby struktura, którą widzimy we Wszechświecie, uformowała się, szczególnie w dużej skali kosmicznej, ciemna materia musi nie tylko istnieć, ale także łączyć się ze sobą. Nie może mieć tej samej gęstości w całej przestrzeni; Powinien raczej być skoncentrowany w regionach o większej gęstości i powinien być mniej gęsty lub całkowicie nieobecny w regionach o niższej gęstości. Możemy właściwie powiedzieć, ile całkowitej materii znajduje się w różnych obszarach przestrzeni, kierując się obserwacjami. Trzy najważniejsze to:
Widmo mocy materii
Mapuj materię we wszechświecie, zobacz, w jakich skalach odpowiada ona galaktykom - czyli jakie jest prawdopodobieństwo, że znajdziesz inną galaktykę w pewnej odległości od galaktyki, od której zaczynasz - i przestudiuj wynik. Gdyby wszechświat składał się z jednorodnej substancji, struktura byłaby rozmazana. Gdyby we wszechświecie istniała ciemna materia, która nie gromadziłaby się wystarczająco wcześnie, struktura została zniszczona na małą skalę. Widmo mocy energii mówi nam, że około 85% materii we Wszechświecie jest reprezentowana przez ciemną materię, która znacznie różni się od protonów, neutronów i elektronów, a ta ciemna materia narodziła się zimna lub jej energia kinetyczna jest porównywalna z masą spoczynkową.
Soczewkowanie grawitacyjne
Spójrz na masywny obiekt. Powiedzmy, że jest to kwazar, galaktyka lub gromady galaktyk. Zobacz, jak światło w tle jest zniekształcane przez obecność obiektu. Ponieważ rozumiemy prawa grawitacji, którymi kieruje się ogólna teoria względności Einsteina, sposób, w jaki ugina się światło, pozwala nam określić, ile masy znajduje się w każdym obiekcie. Za pomocą innych metod możemy określić ilość masy obecną w zwykłej materii: gwiazdach, gazie, kurzu, czarnych dziurach, plazmie itp. I znowu stwierdzamy, że 85% materii jest reprezentowane przez ciemną materię. Ponadto jest rozprowadzana bardziej rozproszona, mętna niż zwykła materia. Potwierdza to słabe i mocne soczewkowanie.
Kosmiczne tło mikrofalowe
Jeśli spojrzysz na pozostałą poświatę promieniowania Wielkiego Wybuchu, zobaczysz, że jest ona mniej więcej jednorodna: 2,725 K we wszystkich kierunkach. Ale jeśli przyjrzeć się bliżej, można zauważyć, że drobne defekty są obserwowane w skalach od dziesiątek do setek mikrokelwinów. Mówią nam o kilku ważnych rzeczach, w tym o gęstościach energii zwykłej materii, ciemnej materii i ciemnej energii, ale co najważniejsze, mówią nam, jak jednorodny był wszechświat, gdy miał zaledwie 0,003% swojego obecnego wieku. Odpowiedź jest taka, że najgęstszy region był tylko 0,01% gęstszy niż region najmniej gęsty. Innymi słowy, ciemna materia zaczynała w stanie jednorodnym i zlepiała się w miarę upływu czasu.
Podsumowując to wszystko, dochodzimy do wniosku, że ciemna materia powinna zachowywać się jak ciecz wypełniająca wszechświat. Płyn ten ma znikome ciśnienie i lepkość, reaguje na ciśnienie promieniowania, nie zderza się z fotonami ani zwykłą materią, urodził się zimny i nierelatywistyczny, a z czasem gromadzi się pod wpływem własnej grawitacji. Decyduje o tworzeniu się struktur we Wszechświecie w największych skalach. Jest wysoce niejednorodny, a skala jego niejednorodności zwiększa się w czasie.
Oto, co możemy o tym powiedzieć na dużą skalę, ponieważ odnoszą się one do obserwacji. W małych skalach możemy jedynie założyć, nie do końca pewni, że ciemna materia składa się z cząstek o właściwościach, które powodują, że zachowuje się w ten sposób na dużą skalę. Powodem, dla którego zakładamy, jest to, że wszechświat, o ile wiemy, składa się z cząstek w rdzeniu, to wszystko. Jeśli jesteś substancją, jeśli masz masę, analog kwantowy, to nieuchronnie musisz składać się z cząstek na pewnym poziomie. Ale dopóki nie znajdziemy tej cząstki, nie mamy prawa wykluczać innych możliwości: na przykład, że jest to rodzaj pola cieczy, które nie składa się z cząstek, ale wpływa na czasoprzestrzeń w taki sposób, w jaki powinny.
Dlatego tak ważna jest próba bezpośredniego wykrywania ciemnej materii. Niemożliwe jest potwierdzenie lub zaprzeczenie podstawowego składnika ciemnej materii w teorii, tylko w praktyce, popartej obserwacjami. Najwyraźniej ciemna materia nie ma nic wspólnego z ciemną energią.
Czy jest zrobiony z cząstek? Dopóki ich nie znajdziemy, możemy się tylko domyślać. Wszechświat przejawia się jako kwantowy w naturze, jeśli chodzi o jakąkolwiek inną formę materii, więc rozsądne jest założenie, że ciemna materia byłaby taka sama.
Ilya Khel