Evolucija strukture velikih razmjera u Svemiru, od ranog, jednoličnog stanja do sjedinjenog Univerzuma kakvog danas poznajemo. Vrsta i obilje tamne materije donijeli bi znatno drugačiji Svemir ako promijenimo ono što posjeduje naš Svemir. (Angulo i dr. 2008., sa Sveučilišta Durham)

Samo tamna materija (a ne izmijenjena gravitacija) može objasniti svemir

Puno je javnih zagovornika iz tabora "nema mračne materije" dobivalo puno pažnje građana. Ali Svemir i dalje treba tamnu tvar. Evo zašto.

Ako biste pogledali sve galaksije u Svemiru, izmjerili gdje se nalazi sve materija koju ste mogli detektirati, i zatim preslikali kako se te galaksije kreću, shvatit ćete da ste prilično zbunjeni. Dok u Sunčevom sustavu planeti kruže oko Sunca s opadajućom brzinom sve dalje od središta koje idete - baš kao što zakon gravitacije predviđa - zvijezde oko galaktičkog središta ne čine to. Iako je masa koncentrirana prema središnjem ispupčenju i na disku sličnom ravnini, zvijezde u vanjskim područjima galaksije vrte se oko njega istim brzinama kao u unutarnjim regijama, prkoseći predviđanjima. Očito nešto nedostaje. Dva rješenja nam padaju na pamet: ili postoji neka vrsta nevidljive mase koja nadoknađuje deficit, ili moramo izmijeniti zakone gravitacije, kao što smo učinili kad smo skočili iz Newtona u Einstein. Iako se obje ove mogućnosti čine razumnim, neviđeno masovno objašnjenje, poznato kao tamna tvar, daleko je i najbolja opcija. Evo zašto.

Pojedinačne galaksije u načelu bi se mogle objasniti ili tamnom materijom ili modifikacijom gravitacije, ali one nisu najbolji dokaz o tome od čega se svemir sastoji ili kako bi on trebao biti takav kakav je danas. (Stefania.deluca s Wikimedia Commonsa)

Prvo, odgovor nema nikakve veze s pojedinim galaksijama. Galaksije su neki od najslabijih objekata u poznatom Univerzumu, a kada testirate samu prirodu Svemira, želite najčišće moguće okruženje. Postoji čitavo polje studija posvećeno tome, poznato kao fizička kozmologija. (Potpuno otkrivanje: to je moje polje.) Kada se svemir prvi put rodio, bio je vrlo blizu uniformi: gotovo točno jednaka gustoća svuda. Procjenjuje se da je najgušća regija s kojom je započeo Svemir bila manje od 0,01% gušća od najmanje guste regije na početku vrućeg Velikog praska. Gravitacija djeluje vrlo jednostavno i na direktan način, čak i na kozmičkoj ljestvici, kada imamo posla s malim odstupanjima od prosječne gustoće. To je poznato kao linearni režim i pruža izvrstan kozmički test i gravitacije i tamne materije.

Projekcija velikih razmjera kroz volumen Illustrisa pri z = 0, usredotočena na najmasivniji skup, dubok 15 Mpc / h. Prikazuje gustoću tamne materije (lijevo) koja prelazi u gustoću plina (desno). Struktura svemira velikih razmjera ne može se objasniti bez tamne materije. (Illustris suradnja / Illustris simulacija)

S druge strane, kad se bavimo velikim odstupanjima od prosjeka, to vas stavlja u ono što se naziva nelinearni režim, a iz ovih je testova daleko teže izvući zaključke. Danas je galaksija poput Mliječnog puta možda milijun puta gušća od prosječne kozmičke gustoće, što je čvrsto postavlja u nelinearni režim. S druge strane, gledamo li Svemir bilo na vrlo velikim mjerilima ili u vrlo ranim vremenima, gravitacijski efekti su mnogo linearniji, što je ovo vaš idealan laboratorij. Ako želite istražiti da li je mijenjanje gravitacije ili dodavanje dodatnog sastojka tamne materije put, htjet ćete pogledati gdje su efekti najjasniji, a to je gdje se gravitacijski učinci najlakše predvidjeti: u linearnom režimu.

Evo najboljih načina za ispitivanje svemira u tom dobu i što vam kažu.

Fluktuacije u kozmičkoj mikrovalnoj pozadini najprije su precizno izmjerile COBE u 1990-ima, a zatim preciznije WMAP u 2000-ima i Planck (gore) u 2010-ima. Ova slika kodira ogromnu količinu informacija o ranom Svemiru, uključujući njegov sastav, starost i povijest. (ESA i Planck suradnja)

1.) Fluktuacije u kozmičkoj mikrovalnoj pozadini. Ovo je naša najranija istinita slika svemira, a fluktuacije u gustoći energije u trenutku tek 380.000 godina nakon Velikog praska. Plave regije odgovaraju pretjeranim denzitetima, gdje su nakupine materije započele svoj neizbježni gravitacijski rast, krećući se prema svom putu u obliku zvijezda, galaksija i galaksija. Crvene regije su preniska područja, gdje se materija gubi na gušćim regijama koje ih okružuju. Gledajući ove fluktuacije temperature i kako ih koreliraju - što će reći, na određenoj skali. Kolika je veličina vašeg prosječnog kolebanja u odnosu na srednju temperaturu - možete naučiti puno o sastavu vašeg Univerzuma.

Relativne visine i položaji ovih akustičnih vrhova, izvedeni iz podataka u kozmičkoj mikrovalnoj pozadini, definitivno su u skladu s Univerzumom sastavljenim od 68% tamne energije, 27% tamne materije i 5% normalne materije. Odstupanja su čvrsto ograničena. (Rezultati Plancka 2015. XX. Ograničenja inflacije - Planck suradnja (Ade, P.A.R. i dr.) ArXiv: 1502.02114)

Konkretno, položaji i visine (posebno relativne visine) od sedam gore navedenih vrhova spektakularno se podudaraju s određenim stanjem: svemirom koji ima 68% tamne energije, 27% tamne materije i 5% normalne materije. Ako ne uključite tamnu tvar, relativne veličine vrhova s ​​nebrojenim brojevima i pari s parnim brojevima ne mogu se usporediti. Najbolje što mogu učiniti tvrdnje o modificiranoj gravitaciji jesu ili da vam dođu prva dva vrha (ali ne i treći ili izvan njega) ili da dobijete pravi spektar vrhova dodavanjem neke tamne materije, koja pobija cijelu svrhu. Ne postoje poznate promjene Einsteinove gravitacije koje bi mogle reproducirati ta predviđanja, čak i nakon činjenice, bez dodavanja tamne materije.

Ilustracija obrasca grupiranja zbog Baryonovih akustičkih oscilacija gdje vjerojatnost pronalaska galaksije na određenoj udaljenosti od bilo koje druge galaksije upravlja odnosom tamne i normalne materije. Kako se svemir širi, tako se širi i ova karakteristična udaljenost, što nam omogućuje mjerenje Hubbleove konstante. (Zosia Rostomian)

2.) Struktura velikih razmjera u Svemiru. Ako imate galaksiju, koliko je vjerojatno da ćete naći neku drugu galaksiju na udaljenosti? A ako pogledate svemir na određenoj volumetrijskoj skali, što odstupate od "prosječnih" brojeva galaksija tamo što očekujete? Ova su pitanja u srcu razumijevanja strukture velikih razmjera, a njihovi odgovori jako ovise o zakonima gravitacije i onome što je u vašem Univerzumu. U Svemiru gdje je 100% vaše materije normalna materija, imat ćete velike supresije stvaranja strukture na specifičnim, velikim mjerilima, dok ako vašim Univerzumom dominira tamna tvar, dobit ćete samo mala tlačenja nanesena na glatku pozadinu , Ne trebaju vam simulacije ili nelinearni efekti da biste to ispitali; sve se to može izračunati ručno.

Podaci točaka iz naših promatranih galaksija (crvene točke) i predviđanja iz kozmologije s tamnom materijom (crna linija) se nevjerojatno dobro slažu. Plave linije, sa i bez promjene gravitacije, ne mogu reproducirati to opažanje bez tamne materije. (S. Dodelson, s http://arxiv.org/abs/1112.1320)

Kad pogledamo Svemir na ove najveće razmjere i uspoređujemo s predviđanjima tih različitih scenarija, rezultati su nesporni. Te crvene točke (sa crtama grešaka, kako je prikazano) su zapažanja - podaci - iz našeg vlastitog svemira. Crna crta je predviđanje naše standardne ΛCDM kosmologije, s normalnom materijom, tamnom materijom (u šest puta većoj količini normalne materije), tamnom energijom i općom relativnošću kao zakonom kojim se upravlja. Zabilježite male wiggles u njemu i kako se - kako nevjerojatno dobro - predviđanja podudaraju s podacima. Plave linije su predviđanja normalne materije bez tamne materije, u standardnom (čvrstom) i modificiranom gravitacijskom (točkastom) scenariju. I opet, nisu poznate promjene gravitacije koje mogu reproducirati ove rezultate, čak i nakon činjenice, bez uključivanja tamne materije.

Put kojim protoni i neutroni idu u ranom Svemiru formiraju najlakše elemente i izotope: deuterij, helij-3 i helij-4. Omjer nukleon-foton određuje s koliko ćemo se ovih elemenata navijati u našem Svemiru danas. Ova mjerenja omogućuju nam da vrlo precizno znamo gustoću normalne materije u cijelom Svemiru. (E. Siegel / Iza galaksije)

3.) Relativno obilje svjetlosnih elemenata formiranih u ranom Svemiru. Ovo nije posebno mračno pitanje, niti izuzetno ovisi o gravitaciji. Ali zbog fizike ranog Svemira, gdje su atomska jezgra razbijena pod dovoljno visokim energetskim uvjetima kada je Svemir izuzetno jednolik, možemo točno predvidjeti koliko vodika, deuterija, helija-3, helija-4 i litijuma, 7 bi trebalo ostati od Velikog praska u iskonskom plinu koji danas vidimo. Postoji samo jedan parametar o kojem svi ovi rezultati ovise: omjer fotona u barionima (protoni i neutroni kombinirani) u Svemiru. Izmjerili smo broj fotona u Svemiru zahvaljujući satelitima WMAP i Plancku, a također smo izmjerili obilje tih elemenata.

Predviđena obilje helija-4, deuterija, helija-3 i litija-7 kako je predviđala nukleosinteza Velikog praska, a opažanja prikazana u crvenim krugovima. (NASA / WMAP znanstveni tim)

Kad to saberemo, oni nam govore ukupnu količinu normalne materije u Svemiru: to je 4,9% kritične gustoće. Drugim riječima, znamo ukupnu količinu normalne materije u Svemiru. Njihov se broj podudara s kozmičkim podacima mikrovalne pećnice i podacima strukture velikih razmjera, a ipak, to je samo oko 15% ukupne količine tvari koja mora biti prisutna. Opet, nema poznatih promjena gravitacije koje bi vam mogle dati ta velika predviđanja i također vam dati ovo malo obilja normalne materije.

Cluster MACS J0416.1-2403 u optičkoj, jednoj od Hubble graničnih polja koja putem gravitacijskog leće otkriva neke od najdubljih, najslađih galaksija ikad viđenih u Svemiru. (NASA / STScI)

4.) Gravitacijsko savijanje zvijezde velike mase klastera u Svemiru. Kad pogledamo najveće nakupine mase u Svemiru, one koji su najbliži još uvijek u linearnom režimu formiranja struktura, primjećujemo da je pozadinska svjetlost iz njih izobličena. To je zbog gravitacijskog savijanja zvjezdanog svjetla u relativnosti poznatog kao gravitacijsko leće. Kada koristimo ta opažanja za određivanje ukupne količine mase prisutne u Svemiru, dobivamo isti broj koji smo stekli svo vrijeme: oko 30% ukupne energije Svemira mora biti prisutno u svim oblicima materije, zbrajano zajedno , reproducirati ove rezultate. Sa samo 4,9% prisutno u normalnoj materiji, to znači da mora postojati neka vrsta tamne materije.

Gravitacijsko leće u galaksiji Abell S1063, pokazujući savijanje zvijezdane svjetlosti prisustvom materije i energije. (NASA, ESA i J. Lotz (STScI))

Kada pogledate čitav niz podataka, a ne samo neke sitne detalje onoga što se događa u neurednom, složenom, nelinearnom režimu, nema načina da dobijemo Svemir koji danas imamo bez dodavanja mračne materije. Ljudi koji koriste Occamov britvic (pogrešno) kako bi tvrdili u korist MOND-a ili MOdified Newtonian Dynamics, trebaju razmotriti da izmjena Newtonovog zakona neće riješiti ove probleme za vas. Ako koristite Newton, nedostaje vam uspjeh Einsteinove relativnosti, koji je ovdje previše. Došlo je vrijeme kašnjenja Shapiro Postoji gravitacijsko širenje vremena i gravitacijsko crtanje. Postoji okvir Velikog praska i koncept Svemira koji se širi. Postoji efekt suzbijanja leće Postoje izravne detekcije gravitacijskih valova, čija je izmjerena brzina jednaka brzini svjetlosti. A postoje pokreti galaksija unutar grozdova i grupiranje samih galaksija na najvećim mjerilima.

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

I za sva ova promatranja ne postoji niti jedna modifikacija gravitacije koja može reproducirati te uspjehe. Nekoliko je glasnika u javnoj sferi koji se zalažu za MOND (ili druge modificirane gravitacijske inkarnacije) kao legitimnu alternativu tamnoj materiji, ali to u ovom trenutku jednostavno nije jedno. Kozmološka zajednica uopće nije dogmatična o potrebi za tamnom materijom; mi u to „vjerujemo“ zato što to zahtijevaju sva ta opažanja. No usprkos svim naporima koji su ulagali u modificiranje relativnosti, ne postoje poznate izmjene koje bi mogle objasniti čak dvije od ove četiri točke, a puno manje sve četiri. Ali tamna materija može, i čini.

Samo zato što se čini da je tamna tvar nekima faktor propadanja, u usporedbi s idejom izmjene Einsteinove gravitacije, ne daje potonjem dodatnu težinu. Kao što je Umberto Eco napisao u Foucaultovom klatnu, "Kao što je čovjek rekao, za svaki složeni problem postoji jednostavno rješenje, a pogrešno je." Ako vam netko pokuša prodati modificiranu gravitaciju, pitajte ga o kozmičkoj pozadini mikrovalne pećnice. Pitajte ih o strukturi velikih razmjera. Pitajte ih o nukleosintezi velikog praska i cijelom nizu ostalih kozmoloških promatranja. Dok ne dobiju snažan odgovor koji je dobar kao tamna materija, ne dopustite sebi da budete zadovoljni.

Četiri sudarajuća galaktička sudara, koja prikazuju razdvajanje između X-zraka (ružičasta) i gravitacije (plava), što ukazuje na tamnu tvar. Na velikim mjerilima potrebna je hladna tamna tvar i nijedna alternativa ili zamjena neće učiniti. (X-zraka: NASA / CXC / UVic. / A.Mahdavi i dr. Optical / Lensing: CFHT / UVic. / A. Mahdavi i sur. . (gore lijevo); X-zraka: NASA / CXC / UCDavis / W.Dawson i dr .; optički: NASA / STScI / UCDavis / W.Dawson i dr. (gore desno); ESA / XMM-Newton / F. Gastaldello (INAF / IASF, Milano, Italija) / CFHTLS (dolje lijevo); X-zraka: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (Kalifornijsko sveučilište, Santa Barbara) i S. Allen (Sveučilište Stanford) (dolje desno) ))

Modificirana gravitacija ne može uspješno predvidjeti strukturu svemira velikih dimenzija onako kako to može Svemir pun tamne materije. Razdoblje. I dok to ne bude moguće, nije vrijedno paziti na ozbiljnog konkurenta. Ne možete zanemariti fizičku kozmologiju u svojim pokušajima dešifriranja kozmosa, a predviđanja strukture velikih razmjera, pozadine mikrovalnog svjetla, svjetlosnih elemenata i savijanja zvjezdanog svjetla su neke od najosnovnijih i najvažnijih predviđanja koja proizlaze iz fizičke kozmologije , MOND ima veliku pobjedu nad tamnom materijom: objašnjava krivulje rotacije galaksija bolje nego što je ikada imala tamna tvar, uključujući sve do današnjih dana. Ali to još nije fizička teorija i nije u skladu s čitavim nizom opažanja kojima raspolažemo. Dok ne dođe taj dan, tamna tvar zasluženo će biti vodeća teorija onoga što čini masu u našem Svemiru.

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.