istraživanje

Ali što ako tamna materija nije čestice?

Sve što smo ikada vidjeli u svemirutvar prije zračenja može se razgraditi u najmanje sastojke. Sve se na ovom svijetu sastoji od atoma, koji se sastoje od nukleona i elektrona, a nukleoni su podijeljeni na kvarkove i gluone. Svjetlost se također sastoji od čestica: fotona. Čak su i gravitacijski valovi u teoriji sastavljeni od gravitona: čestica koje ćemo jednom, uz malo sreće, pronaći i popraviti. Ali što je s tamnom materijom? Neizravni dokazi o njegovom postojanju ne mogu se poreći. Ali treba li biti sastavljen i od čestica?

Navikli smo vjerovati da je tamna tvar sastavljena od čestica, a beznadno ih pokušavamo otkriti. Ali što ako tražimo pogrešne stvari?

Ako se tamna energija može protumačiti kaoenergija svojstvena tkivu prostora, može li biti da je "tamna materija" također unutarnja funkcija samog prostora - usko ili udaljeno povezana s tamnom energijom? A što će umjesto "tamne mase" biti više zbog gravitacijskih učinaka koji bi mogli objasniti naša opažanja?

Pa, posebno za vas fizičar Ethan Siegel stavio je naše teoretske pristupe i moguće scenarije na police.

Jedna od najzanimljivijih karakteristika svemiraleži u odnosu jedan na jedan između onoga što je u Svemiru i kako se brzina širenja vremenom mijenja. Zahvaljujući brojnim pažljivim mjerenjima mnogih različitih izvora - zvijezda, galaksija, supernova, kozmičke mikrovalne pozadine i velikih struktura Svemira - uspjeli smo izmjeriti oboje, određujući od čega se Svemir sastoji. U principu, postoji mnogo različitih ideja o tome od čega se može sastojati naš Univerzum, a svi oni imaju različite učinke na kozmičko širenje.

Zahvaljujući podacima, sada znamo da se Svemir sastoji od sljedećeg:

  • 68% tamne energije koja ostaje pri konstantnoj gustoći energije čak i s širenjem prostora;
  • 27% tamne materije, koja pokazuje gravitacijsku silu, ispere se s povećanim volumenom i ne dopušta da se mjeri bilo kojom drugom poznatom silom;
  • 4,9% obične materije, koja se trudi svom snagom, ispere se s povećanom volumenom, zaluta u grudice i sastoji se od čestica;
  • 0,1% neutrina koji pokazuju gravitacijski ielektro slabe interakcije, sastoje se od čestica i zalutaju zajedno samo kad se usporavaju dovoljno da se ponašaju poput materije, a ne zračenja;
  • 0,01% fotona koji pokazuju gravitacione i elektromagnetske efekte ponaša se poput zračenja i ispira se i s povećanjem volumena i s istezanjem valnih duljina.

S vremenom ove različite komponente postaju relativno više ili manje važne, a taj postotak predstavlja ono što svemir danas čini.

Tamna energija, kao što slijedi iz naših najboljihmjerenja, ima ista svojstva u bilo kojoj točki u svemiru, u svim smjerovima prostora i u svim epizodama naše kozmičke povijesti. Drugim riječima, tamna energija je ujedno homogena i izotropna: ona je svugdje i uvijek ista. Koliko možemo prosuditi, tamnoj energiji nisu potrebne čestice; lako može biti svojstvo svojstveno tkanini prostora.

Ali tamna je materija bitno drugačija.

Da bismo formirali strukturu koju vidimou Svemiru, posebno u velikom kozmičkom razmjeru, tamna tvar mora ne samo postojati, već se i zbližavati. Ne može imati istu gustoću svuda u prostoru; naime, trebala bi biti koncentrirana u regijama visoke gustoće i trebala bi imati nižu gustoću ili je uopće nema u regijama niske gustoće. Zapravo možemo reći koliki je dio te materije u različitim prostorima, vođen opažanjima. Evo tri najvažnija:

Spektar snage materije. Mapa materije u svemiru,pogledajte u kojoj mjeri odgovara galaksijama - tj. s kojom vjerojatnošću ćete naći drugu galaksiju na određenoj udaljenosti od galaksije s kojom započinjete - i proučite rezultat. Ako bi se Svemir sastojao od homogene tvari, struktura bi se razmazala. Da je u Svemiru postojala tamna tvar koja se nije sakupljala dovoljno rano, struktura bi bila uništena u malom obimu. Energetski spektar moći govori nam da je oko 85% materije u Svemiru predstavljeno tamnom materijom, koja se ozbiljno razlikuje od protona, neutrona i elektrona, a ta se tamna tvar rodila hladna, ili je njena kinetička energija usporediva s ostatkom mase.

Gravitacijsko leće. Pogledajte masivni objekt. Pretpostavimo kvazar, galaksiju ili skup galaksija. Pogledajte kako se pozadinsko svjetlo izobličuje prisutnošću objekta. Budući da razumijemo zakone gravitacije, kojima upravlja Einsteinova opća teorija relativnosti, kako se svjetlost savija omogućava da odredimo kolika je masa prisutna u svakom objektu. Pomoću drugih metoda možemo utvrditi količinu mase koja je prisutna u običnoj materiji: zvijezde, plin, prašina, crne rupe, plazma itd. I opet otkrivamo da je 85% materije predstavljeno tamnom materijom. Nadalje, distribuira se više difuzno, oblačno, od obične materije. To potvrđuju slaba i jaka leća.

Kozmička pozadina mikrovalne. Ako pogledate preostali sjajzračenjem Velikog praska, otkrit ćete da je približno jednolik: 2,725 K u svim smjerovima. No, ako pobliže pogledate, ustanovit ćete da se sitne nedostatke uočavaju na skali od nekoliko desetaka do stotina mikrokelvina. Kažu nam nekoliko važnih stvari, uključujući gustoću energije obične materije, tamnu materiju i tamnu energiju, ali što je najvažnije, govore nam koliko je bio homogen Svemir kada je bio samo 0,003% svog trenutnog doba. Odgovor je da je najgušća regija bila samo 0,01% gušća od najmanje guste regije. Drugim riječima, tamna tvar je počela homogenim stanjem i, kako je vrijeme odmicalo, postala je gnojna.

Kombinirajući sve to, zaključujemo totamna materija trebala bi se ponašati poput tekućine koja ispunjava Svemir. Ova tekućina ima zanemariv tlak i viskoznost, reagira na pritisak zračenja, ne sudara se s fotonima ili običnom materijom, rođena je hladna i nerelativistička te se tijekom vremena srušuje pod utjecajem vlastite gravitacije. On određuje formiranje struktura u Svemiru na najvećim mjerilima. Vrlo je heterogena, a veličina njegove heterogenosti raste s vremenom.

Evo što u vezi s njom možemo rećirazmjera jer su u vezi s opažanjima. Na malim mjerilima možemo samo pretpostaviti, a da nismo u potpunosti sigurni da se tamna tvar sastoji od čestica sa svojstvima zbog kojih se ona ponaša na takav način u velikoj mjeri. Razlog za koji to pretpostavljamo jest taj što se Svemir, koliko znamo, sastoji od čestica u svojoj srži i to je sve. Ako ste tvar, ako imate masu, kvantni analog, tada se neminovno morate sastojati od čestica na određenoj razini. No dok ne pronađemo ovu česticu, nemamo pravo isključiti druge mogućnosti: na primjer, da je to vrsta tekućeg polja koja se ne sastoji od čestica, već utječe na prostor-vrijeme onako kako bi čestice trebalo.

Zato je toliko važno pokušati.izravno otkrivanje tamne materije. Teorijsko je nemoguće potvrditi ili opovrgnuti temeljnu komponentu tamne materije, samo u praksi, potkrijepljenu opažanjima. Naizgled, tamna materija ni na koji način nije povezana s tamnom energijom.

Sastoji li se od čestica? Dok ih ne nađemo, možemo samo nagađati. Svemir se manifestira kao kvant u prirodi kada je u pitanju bilo koji drugi oblik materije, pa je razumno pretpostaviti da će tamna tvar biti ista.