Allt vi någonsin observerats i Universum, från materia till strålning, kan delas upp i minsta beståndsdelar. Allt i denna värld är sammansatt av atomer, som består av nukleoner och elektroner, nukleoner är uppdelad i kvarkar och gluoner. Ljuset består av partiklar: fotoner. Även gravitationsvågor, i teorin, består av gravitons: partiklar, som vi en gång, om du har tur, hitta och fixa. Men vad om mörk materia? Indirekta bevis för dess existens inte kan förnekas. Men ska det också bestå av partiklar?
Vi brukade tänka att mörk materia består av partiklar, och som är hopplöst att försöka hitta dem. Men vad händer om vi letar efter är inte det?
Om mörk energi kan tolkas som att den energi som inneboende i tyg utrymme, kan det vara så att “mörk materia”, som också är en intern funktion av utrymmet i sig – nära eller på distans i samband med den mörka energin? Och vad är den mörka materian av gravitationella effekter som kan förklara våra observationer kommer att vara mer på grund av att “mörka massan”?
Tja, för att du fysikern Ethan Siegel sortera genom vårt teoretiska förhållningssätt och möjliga scenarier.
En av de mest intressanta inslagen i Universum består i ett till ett-förhållande mellan vad som finns i Universum, och den varierande graden av expansion över tid. Tack vare de många noggranna mätningar av många olika källor – stjärnor, galaxer, supernovas, den kosmiska bakgrundsstrålningen och storskaliga strukturer i Universum – vi hade möjlighet att mäta båda, att definiera vad universum är gjort. I princip finns det många olika idéer om vad som kan vara vårt universum, och de har alla olika påverkan på den kosmiska expansionen.
Baserat på sina resultat, vet vi nu att universum består av följande:
- 68% mörk energi, som ligger kvar på en konstant energi densitet även när den expansion av rymden.
- 27% mörk materia som uppvisar gravitationskraften, urholkas av de ökande volym och kan inte mäta sig med några andra kända makten.
- 4,9% av vanlig materia, som visar alla de krafter som urholkas med ökande volym, bryta sig in i klumpar och består av partiklar.
- 0,1% av neutriner, som är den gravitationella och electroweak interaktioner, består av partiklar som glider ihop, det är bara när vi sakta ner tillräckligt för att bete sig som har betydelse, inte strålning.
- 0,01% av fotoner som uppvisar gravitationen och elektromagnetisk strålning beter sig som strålning och suddig som ökar volymen och stretching av våglängder.
Över tiden, dessa olika komponenter blir relativt sett mer eller mindre viktiga, och denna andel motsvarar vad som i dag är universum.
Mörk energi, som följer av våra bästa mätningar, har samma egenskaper i alla led av utrymme, i alla riktningar i rymden och alla episoder av våra rum historia. Med andra ord, den mörka energin är samtidigt homogen och isotrop: det är överallt och alltid samma. Så långt som vi kan berätta, mörk energi behöver inte fråga, hon skulle lätt kunna vara en egenskap som är inneboende i strukturen i rymden.
Men mörk materia är i grunden olika.
För att bilda den struktur som vi ser i Universum, särskilt i de större kosmisk skala, mörk materia måste inte bara existerar, utan också att komma tillsammans. Hon får inte vara samma densitet överallt i rymden, utan det bör koncentrera sig i regioner med hög densitet och bör ha en lägre densitet, eller saknas, i regioner med låg befolkningstäthet. Vi kan faktiskt tala om hur mycket substans finns i en annan del av rymden, guidade genom observationer. Här är de tre viktigaste är:
Kraften spektrum av materia. Gäller för karta materia i Universum kommer att se i vilken utsträckning den motsvarar galaxer, hur troligt är det att du kommer att hitta en annan galax på ett visst avstånd från den galax som du börjar, och observera resultatet. Om universum bestod av ett enhetligt ämne, struktur skulle vara kladdig. Om Universum var mörk materia, som inte samlat in tillräckligt tidigt, strukturen på en liten skala skulle förstöras. Kraften spektrum av energi berättar att ungefär 85% av materia i Universum som representeras av mörk materia, som är mycket olika från protoner, neutroner och elektroner, och denna mörka materia var född av kylan, eller dess kinetiska energi är jämförbar med den övriga massan.
Gravitationslinsning. Ta en titt på den massiva objekt. Till exempel, en kvasar, en galaxy eller kluster av galaxer. Se hur bakgrunden ljus är snedvriden på grund av förekomsten av objektet. Eftersom vi förstår tyngdlagen, som omfattas av den Allmänna relativitetsteorin, hur ljusa kurvor gör det möjligt för oss att avgöra hur mycket massa som är närvarande i varje objekt. Genom andra metoder som vi kan bestämma den mängd massa som finns i vanliga fråga: stjärnor, gas, stoft, svarta hål, plasma, etc., och återigen finner vi att 85% av den fråga som representeras av mörk materia. Dessutom är det distribueras mer diffusa, molnigt än vanlig materia. Detta bekräftas av svaga och starka lensing.
Den kosmiska bakgrundsstrålningen. Om du tittar på den återstående glöden av strålning från Big Bang och du kommer att finna att det är ungefär uniform: 2,725 Quo alla riktningar. Men om du tittar noga, du hittar det på skalor från tiotals till hundratals microkelvins observerade små defekter. De berättar för oss flera viktiga saker, inklusive energi-densitet av vanlig materia, mörk materia och mörk energi, men viktigast av allt – berätta för oss hur uniform var universum när hon var endast 0,003% av sin nuvarande ålder. Svaret är att de flesta tät region var endast 0,01% tätare än den minst täta i regionen. Med andra ord, mörk materia börja med en homogen stat och som flödet av tid är förlorad i klumpar.
Kombinera allt detta, har vi kommit fram till att mörk materia måste bete sig som en vätska som fyller Universum. Denna vätska har försumbar tryck och viskositet, tryckkänslig strålning kolliderar med fotoner eller vanlig materia, föddes en kall och icke-relativistiska och glider i en hög under inverkan av sin egen tyngd över tid. Det avgör bildandet av strukturer i Universum, på den största skalor. Det är mycket heterogena, och storleken på skillnaderna ökar med tiden.
Här är vad vi kan säga om det på en stor skala, eftersom de är relaterade till observationer. I liten skala kan vi bara anta, att inte vara helt säker på att mörk materia består av partiklar med egenskaper för att få den att bete sig på detta sätt på en stor skala. Anledningen till att vi antar att universum, såvitt vi vet, består av partiklar som bygger på deras. Om du roll, om du har en massa, quantum analog, du oundvikligen att bestå av partiklar på en viss nivå. Men tills vi hittade denna partikel, kan vi inte utesluta andra möjligheter: till exempel att detta är en vätska fält som inte består av partiklar, men effekten på utrymme-tid som det borde ha varit partiklar.
Det är därför det är så viktigt att försöka direkt detektion av mörk materia. Bekräfta eller förneka en grundläggande del av mörk materia i teorin är omöjligt, men i praktiken, som stöds av observationer. Tydligen, mörk materia har ingenting att göra med den mörka energin.
Oavsett om det är delar? Tills vi hittar dem, kan vi bara gissa. Universum manifesterar sig som quantum i naturen, när det kommer till någon annan form av materia, så det är rimligt att anta att mörk materia är samma sak.
Vad händer om mörk materia är inte partiklar?
Ilya Hel