Čeprav večina temne snovi v galaksiji obstaja v ogromni halo, ki nas zajame, vsak posamezni delček temne snovi pod vplivom gravitacije naredi eliptično orbito. Če je temna snov svoj lastni delček in se naučimo, kako jo izkoristiti, je to morda najboljši vir proste energije. (ESO / L. Calçada)

Vprašaj Ethana: Ali lahko temna zadeva sploh ni delček?

Vedno domnevamo, da temna snov temelji na delcih in preprosto moramo najti, kateri delček je. Kaj pa, če ni tako?

Vse, kar smo kdajkoli odkrili v vesolju, od snovi do sevanja, je mogoče razgraditi na njegove najmanjše sestavine. Vse na tem svetu je sestavljeno iz atomov, ki so narejeni iz jeder in elektronov, kjer so jedra sama sestavljena iz kvarkov in gluonov. Svetloba je sestavljena iz delcev: fotonov. Tudi gravitacijski valovi so v teoriji narejeni iz gravitonov: delci, ki jih bomo nekoč lahko ustvarili in zaznali. Kaj pa temna snov? Posredni dokazi o njegovem obstoju so ogromni in prepričljivi, toda ali mora biti to tudi delček? To hoče vedeti naš podpornik Patreona Darren Redfern, ko vpraša:

Če lahko temno energijo razlagamo kot energijo, ki je lastna tkanini samega prostora, ali je mogoče tudi, da je tisto, kar dojemamo kot "temna snov", tudi lastna funkcija samega prostora - bodisi tesno ali ohlapno povezana s temno energijo? Ali bi lahko temna snov, namesto da bi bila delcev, prežemala ves prostor s (homogenimi ali heterogenimi) gravitacijskimi učinki, ki bi pojasnili naša opažanja - bolj "temna masa"?

Poglejmo dokaze in poglejmo, kaj nam pove o možnostih.

Širitev (ali krčenje) prostora je nujna posledica v vesolju, ki vsebuje množice. Toda hitrost širjenja in kako se obnaša sčasoma je količinsko odvisna od tega, kaj je v vašem vesolju. (Znanstvena skupina NASA / WMAP)

Ena najbolj izjemnih značilnosti vesolja je odnos med seboj med tem, kaj je v vesolju, in kako se hitrost širjenja s časom spreminja. Z natančnimi meritvami številnih različnih virov - vključno z zvezdami, galaksijami, supernovami, kozmičnim mikrovalovnim ozadjem in obsežno strukturo vesolja - smo lahko izmerili oboje, s čimer smo ugotovili, iz česa je ustvarjeno naše vesolje od. Načeloma obstaja vrsta različnih stvari, ki si jih lahko predstavljamo, da je bilo mogoče sestaviti naše vesolje, ki vse vplivajo na kozmično širitev drugače.

Različne sestavine in prispevajo k energijski gostoti vesolja in kdaj lahko prevladujejo. Če bi obstajali kozmični nizi ali domenske stene v kakršni koli pomembni količini, bi bistveno prispevali k širitvi Vesolja. (E. Siegel / On the Galaxy)

Zahvaljujoč celotnemu naboru naših podatkov zdaj vemo, da smo sestavljeni iz:

  • 68% temne energije, ki ostane pri konstantni gostoti energije, tudi ko se sam prostor širi,
  • 27% temne snovi, ki deluje gravitacijsko silo, se razredči, ko se prostornina poveča, in ne merljivo vpliva na nobeno drugo znano silo,
  • 4,9% normalne snovi, ki izvaja vse sile, se razredči, ko se prostornina poveča, se združi in je sestavljena iz delcev,
  • 0,1% nevtrinov, ki izvajajo gravitacijsko in šibko silo, so sestavljeni iz delcev in se združijo le, ko upočasnijo dovolj, da se obnašajo kot materija namesto sevanja,
  • in 0,01% fotonov, ki izvajajo gravitacijske in elektromagnetne sile, delujejo kot sevanje in razredčijo, ko se povečata prostornina in se razteza njegova valovna dolžina.

Sčasoma te različne komponente postanejo relativno bolj ali manj pomembne, kjer ti odstotki predstavljajo tisto, kar je vesolje danes sestavljeno.

Načrt navidezne stopnje širitve (os y) v primerjavi z razdaljo (x-os) je skladen z Vesoljem, ki se je v preteklosti širilo hitreje, vendar se še danes širi. To je sodobna različica, ki se razteza na tisočekrat dlje od Hubblejevega originalnega dela. Različne krivulje predstavljajo vesolje, sestavljene iz različnih sestavnih delov. (Ned Wright, ki temelji na najnovejših podatkih Betoule et al. (2014))

Zdi se, da ima temna energija iz najboljših meritev enako vrednost in lastnosti na vsaki lokaciji v vesolju, v vseh smereh na nebu in v vseh trenutkih skozi našo kozmično zgodovino. Z drugimi besedami, temna energija se zdi homogena in izotropna: povsod in v vsakem trenutku je enaka. Kot vemo, temni energiji ni treba imeti delcev; zlahka je lastnost, ki je lastna tkanini samega prostora.

Toda temna snov je bistveno drugačna.

Na največjih lestvicah načina, kako se galaksije opazovalno združijo (modre in vijolične), ni mogoče primerjati s simulacijami (rdeča), če ni vključena temna snov. (Gerard Lemson in konzorcij Virgo s podatki iz SDSS, 2dFGRS in simulacije tisočletja)

Da bi lahko oblikovala strukturo, ki jo vidimo v vesolju, zlasti na velikih, kozmičnih lestvicah, temna snov ne bi smela obstajati, ampak se mora združevati. Ne more biti enake gostote na vsaki lokaciji v vesolju; namesto tega mora biti skoncentriran v preobsežnih regijah in mora biti pod povprečjem gostote ali celo popolnoma odsoten iz prenizkih območij. Iz nekaj različnih sklopov opazovanj lahko dejansko povemo, koliko skupne snovi je v različnih regijah vesolja. Sledijo tri najpomembnejše.

Podatki o velikih grozdih (pike) in napovedovanje vesolja s 85% temne snovi in ​​15% normalne snovi (trdna črta) se ujemajo neverjetno dobro. Pomanjkanje meje kaže na temperaturo (in hladnost) temne snovi; velikost vijuganja kaže razmerje med normalno in temno snovjo. (L. Anderson in sod. (2012), za Sloan Digital Sky Survey)

1.) Spektrum moči materije: zarišite zadevo v vesolju, poglejte, na kakšni skali so galaksije, ki so korelirane - merilo verjetnosti, da boste našli drugo galaksijo na določeni razdalji od tiste, s katero začnete, - in narisajte. Če bi imeli vesolje, ki je bilo sestavljeno iz enotne snovi, bi se struktura, ki bi jo videli, razmazala. Če bi imeli vesolje s temno snovjo, ki se ni zgodaj strnila, bi bila struktura na majhnih lestvicah uničena. Moč spektra te snovi nas uči, da je približno 85% snovi v vesolju temna snov, popolnoma ločena od protonov, nevtronov in elektronov, in ta temna snov se je rodila hladna temperatura ali s kinetično energijo, ki je bila majhna v primerjavi z njegova počivalna masa.

Masna porazdelitev grozda Abell 370., rekonstruirana z gravitacijskim lečenjem, prikazuje dva velika difuzna halo mase, skladna s temno snovjo z dvema združevalnima gručama, da ustvarimo to, kar vidimo tukaj. Okoli in skozi vsako galaksijo, grozd in množično zbiranje normalne snovi obstaja na splošno 5-krat več temne snovi. (NASA, ESA, D. Harvey (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Švica), R. Massey (Univerza Durham, Velika Britanija), Hubble SM4 ERO Team in ST-ECF)

2.) Gravitacijsko lečenje: poglejte masivni objekt, kot je kvazar, galaksija ali grozd galaksije, in si oglejte, kako se svetloba v ozadju izkrivlja s svojo prisotnostjo. Ker razumemo zakone gravitacije, ki jih ureja Einsteinova splošna relativnost, način, kako se svetloba upogne, nam omogoča sklepati, koliko mase je prisotno v vsakem predmetu. S pomočjo drugih metod lahko določimo količino mase, ki je prisotna v normalni snovi: zvezde, plin, prah, črne luknje, plazma itd. Ponovno ugotovimo, da mora 85% prisotne snovi v povprečju naj bo temna snov in še več, da je razporejena v bolj razpršeni, v oblaku podobni konfiguraciji, kot je običajna zadeva. Tako šibka leča kot močna leča to potrjujeta.

Struktura vrhov CMB se spreminja glede na to, kaj ima vesolje. (W. Hu in S. Dodelson, Ann.Rev.Astron.Astrophys.40: 171–216,2002)

3.) Kozmično mikrovalovno ozadje: če pogledate preostali žarek sevanja iz velikega poka, ugotovite, da je približno enakomeren: 2,725 K v vseh smereh. Če pa pogledate podrobnejše podrobnosti, boste ugotovili, da so na tehtnicah od deset do sto μm na vseh vrstah kotnih lestvic drobne nepopolnosti. Ta nihanja nam govorijo o številnih pomembnih stvareh, vključno z normalno gostoto snovi / temne snovi / temne energije, toda največja stvar, ki nam jo povedo, je, kako enotno je bilo vesolje, ko je bilo le 0,003% svoje trenutne starosti, in odgovor je da je bila najgostejša regija le približno 0,01% gostejša od najmanj gostega območja. Z drugimi besedami, temna snov se je začela enakomerno, nato pa se je s časom stekla skupaj!

Podroben pogled na Vesolje razkriva, da je sestavljen iz materije in ne antimaterije, da sta potrebna temna snov in temna energija in da ne vemo izvora katere koli od teh skrivnosti. Vendar pa nihanja v CMB, tvorba in korelacije med obsežno strukturo in sodobnimi opazovanji gravitacijske leče kažejo na isto sliko. (Chris Blake in Sam Moorfield)

Če vse to sestavimo skupaj, pridemo do zaključka, da se mora temna snov obnašati kot tekočina, ki prežema vesolje. Ta tekočina ima zanemarljivo majhen tlak in viskoznost, odziva se na sevalni tlak, ne trči s fotoni ali normalno snovjo, rodila se je hladna in nerelativistična in se s silo lastne gravitacije sčasoma strdi . Na največjih lestvicah vodi oblikovanje strukture v vesolju. Je zelo nehomogena, s čimer se razširi razsežnost teh nehomogenosti.

To lahko rečemo o tem na velikih lestvicah, kjer je to povezano z opazovanjem. Na majhnih lestvicah sumimo - vendar nismo prepričani - da je to zato, ker temno snov sestavljajo delci z lastnostmi, zaradi katerih se tako obnaša na velikih lestvicah. Razlog za to domnevamo, ker je vesolje, kolikor nam je znano, preprosto sestavljeno iz delcev, konec zgodbe! Če ste materija in če imate maso, imate kvantno protipostavko, kar pomeni nedeljiv delec na neki ravni. Toda dokler ne zaznamo direktno tega delca, ni mogoče izključiti druge možnosti: da je to nekakšno fluidno polje, ki ne temelji na delcih, ampak vpliva na vesolje tako kot bi sestavljali delci.

Omejitve glede temne snovi WIMP so eksperimentalne precej hude. Najnižja krivulja izključuje preseke WIMP (šibke interakcije masivnih delcev) in mase temne snovi za vse, kar se nahaja nad njim. (Xenon-100 Collaboration (2012), prek http://arxiv.org/abs/1207.5988)

Zato so poskusi neposrednega odkrivanja tako pomembni! Kot teoretik sam, ki je napisal doktorat. teze o oblikovanju obsežnih struktur, dobro se zavedam, da je to, kar lahko naredimo, izjemno močno v smislu napovedovanja opazovanj, zlasti na velikih lestvicah. Teoretično pa ne moremo potrditi, ali je temna snov delček ali ne. Edini način za to je z neposrednim odkrivanjem; brez nje lahko imate močne posredne dokaze, vendar ne bo neprebojnih. Zdi se, da nikakor ni povezana s temno energijo, saj je temna energija v vesolju resnično enakomerna, napovedi na velikih lestvicah pa nam povedo, kako deluje gravitacijsko in prek drugih sil precej natančno.

Tokovi temne snovi povzročajo grozdenje galaksij in oblikovanje obsežne strukture, kot je prikazano v tej simulaciji KIPAC / Stanford. (O. Hahn in T. Abel (simulacija); Ralf Kaehler (vizualizacija))

A je to delček? Dokler ga ne odkrijemo, lahko odgovor samo domnevamo. Vesolje se je izkazalo za kvantno naravo, kar zadeva vse druge oblike materije, zato je smiselno domnevati, da bi bila tudi temna snov. Upoštevajte pa, da ima takšno sklepanje svoje omejitve. Konec koncev, vse sledi istemu pravilu, sledi vse ostalo, vendar le, dokler jih ne storijo več! Smo na neoznačenem ozemlju s temno snovjo in pomembno je biti ponižen pred velikimi neznankami v tem vesolju.

Pošljite vprašanja zastavi Ethanu na startwithabang na gmail dot com!

Starts With A Bang je zdaj objavljen na Forbesu in ponovno objavljen na Medium zahvaljujoč našim podpornikom Patreona. Ethan je avtor dveh knjig, Beyond The Galaxy in Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive.