Forskning

Men hvad nu hvis mørkt stof ikke er partikler?

Alt, hvad vi nogensinde har observeret i universet, frastof før stråling, kan nedbrydes til de mindste komponenter. Alt i denne verden består af atomer, der består af nukleoner og elektroner, og nukleoner er opdelt i kvarker og gluoner. Lys består også af partikler: fotoner. Selv gravitationsbølger er i teorien sammensat af gravitoner: partikler, som vi en gang med held vil finde og fikse. Men hvad med mørk stof? Indirekte bevis for dens eksistens kan ikke nægtes. Men skulle det også være sammensat af partikler?

Vi er vant til at tro, at mørkt stof er sammensat af partikler og håbløst forsøger at opdage dem. Men hvad hvis vi leder efter de forkerte ting?

Hvis mørk energi kan fortolkes somenergien i rummet, kan det være, at det ”mørke stof” også er en intern funktion af rummet i sig selv - tæt eller fjernt relateret til mørk energi? Og hvad i stedet for mørkt stof, gravitationseffekter, der kunne forklare vores observationer, vil være mere på grund af den "mørke masse"?

Nå, især for dig fysiker Ethan Siegel lægger vores teoretiske tilgange og mulige scenarier på hylderne.

En af universets mest interessante trækligger i en en-til-en-forbindelse mellem hvad der er i universet og hvordan ekspansionstakten ændrer sig over tid. Takket være mange omhyggelige målinger af mange forskellige kilder - stjerner, galakser, supernovaer, den kosmiske mikrobølgebaggrund og storskala strukturer i universet - var vi i stand til at måle dem begge og bestemme, hvad universet består af. I princippet er der mange forskellige ideer om, hvad vores univers kan bestå af, og de har alle forskellige effekter på den kosmiske ekspansion.

Takket være dataene ved vi nu, at universet er lavet af følgende:

  • 68% af den mørke energi, der forbliver ved en konstant energitæthed selv med udvidelsen af ​​rummet;
  • 27% af mørkt stof, der udviser en tyngdekraft, vaskes væk med stigende volumen og tillader ikke at måle sig selv ved hjælp af nogen anden kendt kraft;
  • 4,9% af almindeligt stof, der udøver al sin styrke, vaskes væk med stigende volumen, forvildes til klumper og består af partikler;
  • 0,1% neutrinoer, der udviser tyngdekraft ogelektroweak interaktioner, er sammensat af partikler og mødes kun, når de bremser nok til at opføre sig som stof, ikke som stråling;
  • 0,01% af fotoner, der udviser gravitations- og elektromagnetiske effekter, opfører sig som stråling og vaskes væk både med stigende volumen og med strækende bølgelængder.

Med tiden bliver disse forskellige komponenter relativt mere eller mindre vigtige, og denne procentdel repræsenterer, hvad universet består af i dag.

Mørk energi, som følger fra vores bedstemålinger, har de samme egenskaber på ethvert sted i rummet, i alle rumretninger og i alle episoder af vores kosmiske historie. Med andre ord er mørk energi både homogen og isotrop: den er overalt og altid den samme. Så vidt vi kan bedømme, har mørk energi ikke brug for partikler; det kan let være en egenskab, der ligger i rummet.

Men mørk stof er grundlæggende anderledes.

At danne den struktur, vi seri universet, især i stor kosmisk skala, må mørkt stof ikke kun eksistere, men også komme sammen. Hun kan ikke have den samme densitet overalt i rummet; snarere bør det koncentreres i regioner med høj densitet og bør have en lavere densitet eller overhovedet ikke i regioner med lav densitet. Vi kan faktisk sige, hvor meget af alt det, der er i forskellige rumområder, styret af observationer. Her er de tre vigtigste:

Magtens spektrum. Kortstof i universet,se på, hvilken skala det svarer til galakser - det vil sige med hvilken sandsynlighed du vil finde en anden galakse i en bestemt afstand fra den galakse, som du starter med - og studere resultatet. Hvis universet bestod af et homogent stof, ville strukturen blive smurt ud. Hvis der var mørkt stof i universet, som ikke samlet tidligt nok, ville strukturen blive ødelagt i lille skala. Energikraftspektret fortæller os, at cirka 85% af stoffet i universet er repræsenteret af mørkt stof, som er alvorligt forskellig fra protoner, neutroner og elektroner, og denne mørke stof blev født koldt, eller dens kinetiske energi kan sammenlignes med hvilemassen.

Linse med tyngdekraft. Se på det massive objekt. Antag, at en kvasar, galakse eller en klynge af galakser. Se, hvordan baggrundslyset forvrides af tilstedeværelsen af ​​et objekt. Da vi forstår tyngdekraften, der styres af Einsteins generelle relativitetsteori, giver lysets bøjninger os mulighed for at bestemme, hvor meget masse der er til stede i hvert objekt. Gennem andre metoder kan vi bestemme den mængde masse, der er til stede i almindeligt stof: stjerner, gas, støv, sorte huller, plasma osv. Og igen finder vi ud af, at 85% af stoffet er repræsenteret af mørkt stof. Desuden distribueres det mere diffust, overskyet end almindeligt stof. Dette bekræftes af svag og stærk linse.

Kosmisk mikrobølge baggrund. Hvis du ser på den resterende glødstråling af Big Bang, vil du opdage, at den er omtrent ensartet: 2.725 K i alle retninger. Men hvis du kigger nærmere på, vil du opdage, at der observeres små mangler i en skala fra titusvis til hundreder af mikrovinkler. De fortæller os adskillige vigtige ting, inklusive energitætheden for almindeligt stof, mørkt stof og mørk energi, men vigtigst af alt fortæller de os, hvor homogent universet var, da det kun var 0,003% af dets nuværende alder. Svaret er, at den tæteste region kun var 0,01% tættere end den mindst tætte region. Med andre ord, mørkt stof begyndte med en homogen tilstand og blev efterhånden klumpet.

Når vi kombinerer alt dette, konkluderer vi detmørkt stof skal opføre sig som en væske, der fylder universet. Denne væske har ubetydelig tryk og viskositet, reagerer på strålingstryk, kolliderer ikke med fotoner eller almindeligt stof, blev født kold og ikke-relativistisk og er slået sammen under påvirkning af sin egen tyngdekraft over tid. Det bestemmer dannelsen af ​​strukturer i universet på de største skalaer. Det er meget heterogent, og størrelsen af ​​dets heterogenitet øges med tiden.

Her er hvad vi kan sige om hende i det store og heleskala, fordi de er relateret til observationer. På små skalaer kan vi kun antage og ikke være helt sikre på, at mørkt stof består af partikler med egenskaber, der får det til at opføre sig på denne måde i stor skala. Årsagen til, at vi antager, at dette er, fordi universet, så vidt vi ved, består af partikler i dets kerne, og det er alt. Hvis du er et stof, hvis du har en masse, en kvanteanalog, skal du uundgåeligt bestå af partikler på et bestemt niveau. Men indtil vi finder denne partikel, har vi ingen ret til at udelukke andre muligheder: for eksempel at dette er en slags væskefelt, der ikke består af partikler, men påvirker rum-tid på den måde partiklerne skulle have.

Derfor er det så vigtigt at prøve.direkte påvisning af mørkt stof. Det er umuligt at bekræfte eller tilbagevise den grundlæggende komponent i mørk stof i teorien, kun i praksis, bakket op af observationer. Tilsyneladende er mørk stof på ingen måde forbundet med mørk energi.

Består det af partikler? Indtil vi finder dem, kan vi kun gætte. Universet manifesterer sig som kvante i naturen, når det kommer til enhver anden form for stof, så det er rimeligt at antage, at mørk stof vil være den samme.