Iako većina tamne materije u galaksiji postoji u ogromnom halu koji nas zahvaća, svaka pojedina čestica tamne materije stvara eliptičnu orbitu pod utjecajem gravitacije. Ako je tamna tvar vlastita antičestica, a naučimo kako je iskoristiti, to je možda glavni izvor slobodne energije. (ESO / L. Calçada)

Pitajte Ethana: Može li tamna materija uopće biti čestica?

Uvijek pretpostavljamo da se tamna tvar temelji na česticama i tek trebamo pronaći koja je ona čestica. Ali što ako nije tako?

Sve što smo ikada otkrili u Svemiru, od materije do radijacije, može se raščlaniti na njegove najmanje sastojke. Sve na ovom svijetu načinjeno je od atoma, koji su izrađeni od jezgara i elektrona, gdje su same jezgre izrađene od kvarkova i gluona. Svjetlost je izrađena od čestica: fotona. Čak su i gravitacijski valovi u teoriji napravljeni od gravitona: čestice koje bismo jednog dana mogli stvoriti i otkriti. Ali što je s tamnom materijom? Neizravni dokazi za njegovo postojanje ogromni su i neodoljivi, ali mora li i to biti čestica? To želi naš znatiželjnik Patreona Darren Redfern, pitajući:

Ako se tamna energija može protumačiti kao energija svojstvena tkanini samog prostora, da li je moguće da je ono što opažamo kao "tamna materija" također svojstvena funkcija samog prostora - bilo čvrsto ili labavo spojena s tamnom energijom? To jest, umjesto da tamna tvar bude čestica, može li prožimati sav prostor s (homogenim ili heterogenim) gravitacijskim efektima koji bi objasnili naša opažanja - više o „tamnoj masi“?

Pogledajmo dokaze i vidimo što nam govori o mogućnostima.

Širenje (ili kontrakcija) prostora nužna je posljedica u Univerzumu koji sadrži mase. Ali brzina širenja i kako se ponaša s vremenom kvantitativno ovise o tome što se nalazi u vašem Univerzumu. (NASA / WMAP znanstveni tim)

Jedna od najistaknutijih značajki o Svemiru je međusobni odnos između onoga što se nalazi u Svemiru i načina na koji se brzina širenja s vremenom mijenja. Kroz pažljiva mjerenja mnogih različitih izvora - uključujući zvijezde, galaksije, supernove, kozmičku mikrovalnu pozadinu i strukturu svemira velikih razmjera - uspjeli smo izmjeriti oba, utvrđujući od čega je svemir napravljen od. U principu, postoji niz različitih stvari koje možemo zamisliti da je naš Svemir mogao biti stvoren od kojih sve različito utječu na kozmičko širenje.

Razne komponente i doprinose gustoći energije svemira i kada mogu vladati. Da su kozmički nizovi ili zidovi domena postojali u bilo kojoj značajnoj količini, oni bi značajno pridonijeli širenju svemira. (E. Siegel / Iza galaksije)

Zahvaljujući potpunom paketu naših podataka, sada znamo da smo napravljeni od:

  • 68% tamne energije koja ostaje pri konstantnoj gustoći energije čak i kako se prostor širi,
  • 27% tamne materije, koja vrši gravitacijsku silu, razrjeđuje se kako se volumen povećava, a ne mjerljivo djeluje kroz bilo koju drugu poznatu silu,
  • 4,9% normalne materije, koja djeluje svim silama, razrjeđuje se kako se volumen povećava, skuplja i sastoji se od čestica,
  • 0,1% neutrina, koji imaju gravitacijsku i slabu silu, izrađeni su od čestica, a skupljuju se samo kad se usporavaju dovoljno da se ponašaju kao materija umjesto zračenja,
  • i 0,01% fotona, koji stvaraju gravitacijske i elektromagnetske sile, djeluju kao zračenje i razrjeđuju se kako se volumen povećava, tako i njegova valna duljina rasteže.

S vremenom ove različite komponente postaju relativno manje ili više važne, gdje ovi postoci predstavljaju ono što je Svemir danas stvoren.

Grafikon prividne brzine ekspanzije (osi y) u odnosu na udaljenost (x-os) je u skladu sa Svemirom koji se proširio brže, ali se i danas širi. Ovo je moderna verzija, koja se proteže tisućama puta dalje od Hubbleovog izvornog djela. Različite krivulje predstavljaju Svemire načinjene od različitih sastavnih dijelova. (Ned Wright, na temelju najnovijih podataka Betoule i sur. (2014))

Čini se da tamna energija, prema najboljim našim mjerenjima, ima iste vrijednosti i svojstva na svakom mjestu u svemiru, u svim smjerovima na nebu i u svim trenucima kroz našu kozmičku povijest. Drugim riječima, tamna energija se pojavljuje i homogena i izotropna: ista je svugdje i u svakom trenutku. Kao što znamo, tamna energija ne mora imati čestice; lako može biti svojstvo svojstveno tkanini samog prostora.

Ali tamna je materija bitno drugačija.

Na najvećim mjerilima način na koji se galaksije promatrački sjedinjene (plava i ljubičasta) ne mogu se uskladiti simulacijama (crveno) ako nije uključena tamna tvar. (Gerard Lemson i Konzorcij Virgo, s podacima SDSS-a, 2dFGRS i Milenijske simulacije)

Da bi formirala strukturu koju vidimo u Svemiru, posebno na velikim, kozmičkim mjerilima, tamna tvar ne mora postojati samo, nego je treba složiti. Ne može imati istu gustoću na svakom mjestu u prostoru; radije se mora koncentrirati u prenapučenim regijama i treba biti ispod prosječne gustoće ili čak potpuno izostati iz preniskih područja. Zapravo možemo reći koliko je ukupne materije u raznim regijama prostora iz nekoliko različitih skupa opažanja. Ono što slijedi su tri najvažnija.

Podaci o klasteriranju velikih razmjera (točkice) i predviđanje svemira s 85% tamne materije i 15% normalne materije (puna linija) podudaraju se nevjerojatno dobro. Nedostatak rezne točke ukazuje na temperaturu (i hladnoću) tamne materije; jačina wigglesa ukazuje na odnos normalne i tamne materije. (L. Anderson i dr. (2012), za Sloan Digital Sky Survey)

1.) Spektar moći materije: preslikajte materiju u Svemiru, pogledajte na kojoj skali galaksije koreliraju - mjeru vjerojatnosti pronalaska druge galaksije na određenoj udaljenosti od one s kojom započinjete - i iscrtajte je. Da ste imali Svemir napravljen od jednoličnih materija, struktura koja bi se vidjela razmazala bi se. Da imate Svemir koji je imao tamnu tvar koja se nije rano skupila, struktura na malim vagama bila bi uništena. Ovaj spektar snage materije nas uči da je otprilike 85% materije u Svemiru tamna materija, potpuno odvojena od protona, neutrona i elektrona, a ta tamna tvar rođena je hladno na temperaturi ili s kinetičkom energijom koja je bila mala u usporedbi s njegova masa za odmor.

Raspodjela mase klastera Abell 370. rekonstruirana gravitacijskim lećanjem pokazuje dva velika difuzna halo mase, u skladu s tamnom tvari s dva spajajuća grozda kako bi se stvorilo ono što ovdje vidimo. Oko i kroz svaku galaksiju, grozd i ogromnu zbirku normalne materije postoji ukupno 5 puta više tamne materije. (NASA, ESA, D. Harvey (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Švicarska), R. Massey (Sveučilište Durham, Velika Britanija), Hubble SM4 ERO tim i ST-ECF)

2.) Gravitacijsko stezanje: pogledajte masivni objekt, poput kvazara, galaksije ili nakupine galaksija, i pogledajte kako pozadinsko svjetlo iskrivljuje njegovu prisutnost. Budući da razumijemo zakone gravitacije, kako ih upravlja Einsteinova Opća relativnost, način na koji se svjetlost savija omogućava da zaključimo koliko mase ima u svakom objektu. Pomoću drugih metoda možemo utvrditi količinu mase prisutne u normalnoj materiji: zvijezde, plin, prašina, crne rupe, plazma itd. Opet, otkrivamo da u prosjeku 85% prisutne materije mora biti tamna tvar i štoviše, distribuirana je u difuznijoj konfiguraciji poput oblaka nego što je uobičajena materija. I slaba leća i jaka leća to potvrđuju.

Struktura CMB vrhova se mijenja ovisno o tome što se nalazi u Svemiru. (W. Hu i S. Dodelson, Ann.Rev.Astron.Astrophys.40: 171–216,2002)

3.) Pozadina kozmičke mikrovalne: ako pogledate ostatak sjaja zračenja iz Velikog praska, ustanovit ćete da je otprilike ujednačen: 2,725 K u svim smjerovima. Ali ako pogledate detaljnije detalje, ustanovit ćete da postoje sitne nesavršenosti na ljestvici od nekoliko stotina do stotina µK, na svim vrstama kutnih ljestvica. Ove fluktuacije nam govore niz važnih stvari, uključujući normalnu gustoću materije / tamne materije / tamne energije, ali najveća stvar koju nam kažu je koliko je Svemir bio ujednačen kad je bio samo 0,003% svog trenutnog doba, a odgovor je da je najgušća regija bila samo oko 0,01% gušća od najmanje guste regije. Drugim riječima, tamna tvar je krenula jednolično, a zatim se s vremenom sastavljala!

Detaljan pogled na svemir otkriva da je sačinjen od materije, a ne od antimaterije, da je potrebna tamna tvar i tamna energija i da ne znamo porijeklo bilo koje od tih misterija. Međutim, fluktuacije u CMB-u, formiranje i korelacije između strukture velikih razmjera i modernih opažanja gravitacijskog leća usmjeravaju prema istoj slici (Chris Blake i Sam Moorfield)

Spajajući sve ovo zajedno, dolazimo do zaključka da se tamna tvar mora ponašati poput tekućine koja prožima Svemir. Ova tekućina ima zanemarivo mali pritisak i viskoznost, reagira na pritisak zračenja, ne sudara se s fotonima ili normalnom materijom, rođena je hladna i ne-relativistička, i skuplja se zajedno pod silom vlastite gravitacije tijekom vremena , Ona pokreće stvaranje strukture u Svemiru na najvećim mjerilima. Vrlo je nehomogena, s veličinom tih nehomogenosti raste s vremenom.

To možemo reći o tome na velikim mjerilima, gdje je to povezano s promatranjem. Na malim mjerilima sumnjamo - ali nismo sigurni - da je to zbog toga što se tamna tvar sastoji od čestica s svojstvima koja uzrokuju da se ona ponaša ovako na velikim mjerilima. Razlog za koji to pretpostavljamo je taj što je Svemir, koliko znamo, jednostavno sastavljen od čestica, kraja priče! Ako ste materije i ako imate masu, imate kvantni pandan, a to znači nedjeljivu česticu na nekoj razini. No dok izravno ne otkrijemo ovu česticu, ne možemo isključiti drugu mogućnost: da je to neka vrsta fluidnog polja koja se ne temelji na česticama, ali utječe na prostor vrijeme na isti način kao što bi to činio skup skup čestica.

Ograničenja za WIMP tamnu tvar prilično su ozbiljna, eksperimentalno. Najniža krivulja isključuje presjeke WIMP (slabo interaktivne masivne čestice) i mase tamne materije za sve što se nalazi iznad njega (Xenon-100 suradnja (2012), putem adrese http://arxiv.org/abs/1207.5988)

Zato su pokušaji izravnog otkrivanja toliko važni! Kao sam teoretičar koji je napisao njegov doktorat. teza o stvaranju velikih struktura, dobro sam svjestan da je ono što možemo učiniti nevjerojatno moćno u smislu predviđanja promatranja, posebno na velikim mjerilima. Ali teoretski ne možemo učiniti da potvrdi je li tamna tvar čestica ili ne. Jedini način za to je izravno otkrivanje; bez njega možete imati jake neizravne dokaze, ali neće biti neprobojni. Čini se da ni na koji način nije spojena s tamnom energijom, jer je tamna energija uistinu ujednačena u svemiru, a predviđanja na velikim skalama govore nam kako ona djeluje gravitaciono i drugim silama prilično točno.

Struje tamne materije pokreću nakupljanje galaksija i stvaranje strukture velikih razmjera, kao što je prikazano u ovoj simulaciji KIPAC / Stanford. (O. Hahn i T. Abel (simulacija); Ralf Kaehler (vizualizacija))

Ali je li to čestica? Dok ga ne otkrijemo, odgovor možemo samo pretpostaviti. Svemir se pokazao kvantnom prirodom što se tiče svakog drugog oblika materije, pa je razumno pretpostaviti da bi i tamna tvar bila. Imajte na umu, međutim, da na ovakav način zaključivanje ima svoja ograničenja. Na kraju krajeva, sve slijedi isto pravilo, a sve ostalo slijedi, ali samo dok se više ne pojave! Na neizvjesnom smo teritoriju tamne materije i važno je biti ponizan pred velikim nepoznanicama u ovom Univerzumu.

Pošaljite svoja Pitanja Ethanu na startwithabang na gmail dot com!

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.