Kaikki mitä olemme koskaan havainneet maailmankaikkeudessa, aineesta säteilyyn, voidaan hajottaa pienimpiin komponentteihin. Kaikki tässä maailmassa koostuu atomista, jotka koostuvat nukleoneista ja elektroneista, ja nukleonit on jaettu kvarkeiksi ja gluoniksi. Valo koostuu myös hiukkasista: fotoneista. Jopa gravitaatioaallot koostuvat teoriassa gravitoneista: hiukkasista, jotka me jonain päivänä löydämme ja korjaamme, jos onnekas. Mutta entä pimeä aine? Välillisiä todisteita sen olemassaolosta ei voida kieltää. Mutta pitäisikö sen myös koostua hiukkasista?
Olemme tottuneet ajattelemaan, että pimeä aine koostuu hiukkasista, ja yritämme toivottomasti havaita ne. Mutta entä jos etsimme väärästä paikasta?
Jos pimeä energia voidaan tulkita avaruuden kudokselle ominaiseksi energiaksi, voisiko "pimeä aine" olla myös avaruuden sisäinen toiminto - läheisesti tai etäyhteydessä pimeään energiaan? Ja että pimeän aineen sijasta gravitaatiovaikutukset, jotka selittävät havainnoomme, johtuvat enemmän "tummasta massasta"?
Erityisesti sinulle fyysikko Ethan Siegel on laatinut teoreettisen lähestymistavan ja mahdolliset skenaariot.
Yksi maailmankaikkeuden mielenkiintoisimmista piirteistä on henkilökohtainen suhde maailmankaikkeudessa olevan ja sen välillä, kuinka laajenemisnopeus muuttuu ajan myötä. Monien huolellisten mittausten avulla monista erilaisista lähteistä - tähdistä, galakseista, supernoovista, kosmisesta mikroaaltotaustasta ja maailmankaikkeuden laajamittaisista rakenteista - pystyimme mittaamaan molemmat ja määrittämään, mistä universumi koostuu. Pohjimmiltaan on olemassa monia erilaisia ajatuksia siitä, mistä universumimme voi koostua, ja niillä kaikilla on erilaiset vaikutukset kosmiseen laajenemiseen.
Saatujen tietojen ansiosta tiedämme nyt, että maailmankaikkeus koostuu seuraavista:
- 68% pimeää energiaa, joka pysyy vakiona energiatiheydessä myös avaruuden laajentuessa;
Mainosvideo:
- 27% pimeästä aineesta, jolla on gravitaatiovoima, on epätarkka tilavuuden kasvaessa eikä sitä salli mitata millään muulla tunnetulla voimalla;
- 4,9% tavallisesta aineesta, joka ilmenee kaikki voimat, on hämärtynyt, kun tilavuus kasvaa, solmuu paloiksi ja koostuu hiukkasista;
- 0,1% neutriinoista, joilla on gravitaatio- ja sähköheikkovaikutuksia, koostuvat hiukkasista ja koputtavat yhteen vain, kun ne hidastuvat tarpeeksi käyttäytyäkseen aineen, ei säteilyn tapaan;
- 0,01% fotoneista, joilla on gravitaatio- ja sähkömagneettisia vaikutuksia, käyttäytyvät säteilynä ja hämärtyvät sekä kasvavan tilavuuden että venyttämällä aallonpituuksia.
Ajan myötä näistä eri komponenteista tulee suhteellisen enemmän tai vähemmän tärkeitä, ja tämä prosenttiosuus edustaa sitä, mistä maailmankaikkeus koostuu tänään.
Pimeällä energialla, kuten parhaista mittauksistamme seuraa, on samat ominaisuudet missä tahansa avaruuden pisteessä, kaikissa avaruuden suunnissa ja kosmisen historiamme kaikissa jaksoissa. Toisin sanoen pimeä energia on sekä homogeenista että isotrooppista: se on sama kaikkialla ja aina. Sikäli kuin voimme kertoa, pimeä energia ei tarvitse hiukkasia; se voi helposti olla avaruuden kankaalle ominainen ominaisuus.
Mutta pimeä aine on pohjimmiltaan erilainen.
Jotta maailmankaikkeudessa näkemämme rakenne muodostuisi erityisesti suuressa kosmisessa mittakaavassa, pimeän aineen on paitsi oltava olemassa myös myös yhdistettävä. Sillä ei voi olla sama tiheys koko avaruudessa; sen pitäisi sen sijaan keskittyä alueille, joilla on suurempi tiheys, ja sen tulisi olla vähemmän tiheitä tai puuttua kokonaan tiheämmille alueille. Voimme todellakin kertoa, kuinka suuri osa aineesta on avaruuden eri alueilla havaintojen ohjaamana. Kolme tärkeintä ovat:
Aineen tehospektri
Kartoita asia maailmankaikkeudessa, katso missä mittakaavassa se vastaa galakseja - toisin sanoen kuinka todennäköistä olet löytää toisen galaksin tietyllä etäisyydellä aloitetusta galaksista - ja tutkia tulosta. Jos maailmankaikkeus koostuisi homogeenisesta aineesta, rakenne tahriisi. Jos maailmankaikkeudessa olisi pimeää ainetta, joka ei kerääntynyt tarpeeksi aikaisin, rakenne pienessä mittakaavassa tuhoutuisi. Energian tehospektri kertoo meille, että noin 85% maailmankaikkeuden aineesta edustaa pimeää ainetta, joka eroaa vakavasti protonista, neutronista ja elektronista, ja tämä pimeä aine syntyi kylmänä tai sen kineettinen energia on verrattavissa lepomassaan.
Gravitaatiolinssit
Katsokaa massiivista esinettä. Sanotaan kvasaari-, galaksi- tai galaksijoukot. Katso, kuinka kohteen läsnäolo vääristää taustavaloa. Koska ymmärrämme gravitaation lait, joita ohjaa Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian teoria, valon taipuminen antaa meille mahdollisuuden määrittää, kuinka paljon massaa on jokaisessa objektissa. Muilla menetelmillä voimme määrittää tavanomaisessa aineessa olevan massan määrän: tähdet, kaasu, pöly, mustat aukot, plasma jne. Ja taas havaitsemme, että 85% aineesta edustaa pimeää ainetta. Lisäksi se on levinnyt hajautetummin, sameammin kuin tavallinen aine. Tämän vahvistaa heikko ja vahva linssi.
Kosminen mikroaaltouuni tausta
Jos tarkastelet Big Bang -säteilyn jäljellä olevaa hehkua, huomaat, että se on suunnilleen yhtenäinen: 2,725 K kaikkiin suuntiin. Mutta jos tarkastelet tarkemmin, huomaat, että pieniä vikoja havaitaan asteikolla kymmenistä satoihin mikrokelviiniin. He kertovat meille muutamia tärkeitä asioita, mukaan lukien tavallisen aineen, pimeän aineen ja pimeän energian energiatiheydet, mutta mikä tärkeintä, ne kertovat meille, kuinka homogeeninen maailmankaikkeus oli, kun se oli vain 0,003% nykyisestä ikästään. Vastaus on, että tihein alue oli vain 0,01% tiheämpi kuin vähiten tiheä alue. Toisin sanoen pimeä aine alkoi homogeenisessa tilassa ja kasautui yhteen ajan myötä.
Yhdistämällä kaikki yhteen, tulemme johtopäätökseen, että pimeän aineen tulisi toimia kuten neste, joka täyttää maailmankaikkeuden. Tällä nesteellä on merkityksetön paine ja viskositeetti, se reagoi säteilypaineeseen, ei törmää fotonien tai tavallisen aineen kanssa, syntyi kylmänä ja ei-relatiivisena ja rypistyi oman painovoimansa vaikutuksesta ajan mittaan. Se määrittää rakenteiden muodostumisen maailmankaikkeudessa suurimmissa mittakaavoissa. Se on erittäin heterogeeninen, ja sen heterogeenisuuden suuruus kasvaa ajan myötä.
Tässä voimme sanoa siitä laajamittaisesti, koska ne liittyvät havainnoihin. Pienissä mittakaavoissa voimme vain olettaa, emme ole täysin varmoja, että pimeä aine koostuu hiukkasista, joilla on ominaisuuksia, jotka saavat sen käyttäytymään tällä tavalla laajamittaisesti. Syy tähän oletetaan johtuvan siitä, että maailmankaikkeus, sikäli kuin tiedämme, koostuu sen ytimessä olevista hiukkasista, siinä kaikki. Jos olet aine, jos sinulla on massa, kvantianalogi, sinun on väistämättä koostuttava tietyllä tasolla olevista hiukkasista. Mutta ennen kuin olemme löytäneet tämän hiukkasen, meillä ei ole oikeutta sulkea pois muita mahdollisuuksia: esimerkiksi, että tämä on eräänlainen nestekenttä, joka ei koostu hiukkasista, mutta vaikuttaa aika-aikaan siinä muodossa kuin hiukkasten pitäisi.
Siksi on niin tärkeää yrittää havaita pimeä aine suoraan. Teoriassa on mahdotonta vahvistaa tai kieltää pimeän aineen perustekijää, vain käytännössä, jota tukevat havainnot. Ilmeisesti pimeällä aineella ei ole mitään tekemistä pimeän energian kanssa.
Onko se valmistettu hiukkasista? Kunnes löydämme ne, voimme vain arvata. Maailmankaikkeus ilmenee luonnossa kvanttina, kun on kyse mistä tahansa muusta aineesta, joten on järkevää olettaa, että pimeä aine olisi sama.
Ilya Khel