Viską, ką mes kada nors stebėjome Visatoje, nuo materijos iki radiacijos, galima suskaidyti į mažiausius komponentus. Viskas šiame pasaulyje susideda iš atomų, kuriuos sudaro nukleonai ir elektronai, o nukleonai yra suskirstyti į kvarkus ir gluonus. Šviesa taip pat susideda iš dalelių: fotonų. Netgi gravitacines bangas teoriškai sudaro gravitonai: dalelės, kurias kada nors, pasisekus, randame ir fiksuojame. Bet kaip su tamsiąja materija? Netiesioginiai jos egzistavimo įrodymai negali būti paneigti. Bet ar jis turėtų būti sudarytas ir iš dalelių?
Mes įpratę manyti, kad tamsioji materija susideda iš dalelių, ir mes beviltiškai bandome jas aptikti. Bet ką daryti, jei ieškome ne toje vietoje?
Jei tamsiąją energiją galima interpretuoti kaip energiją, būdingą pačiam kosmoso audiniui, ar gali būti, kad „tamsioji materija“yra ir pačios erdvės vidinė funkcija - glaudžiai ar nuotoliniu būdu susijusi su tamsiąja energija? Ir kad vietoj tamsiosios materijos gravitaciniai efektai, galintys paaiškinti mūsų pastebėjimus, bus labiau susiję su „tamsiąja mase“?
Na, ypač jums, fizikas Ethanas Siegelis išdėstė mūsų teorinius požiūrius ir galimus scenarijus.
Vienas iš įdomiausių visatos bruožų yra santykis tarp to, kas yra visatoje, ir to, kaip laikui bėgant keičiasi plėtimosi greitis. Atlikdami daugybę kruopščių daugybės skirtingų šaltinių - žvaigždžių, galaktikų, supernovų, kosminio mikrobangų fono ir didelio masto Visatos struktūrų - matavimus, mes galėjome išmatuoti abu, nustatydami, iš ko yra Visata. Iš esmės yra daugybė skirtingų idėjų apie tai, iš ko gali susidaryti mūsų Visata, ir jos visos turi skirtingą poveikį kosminiam išsiplėtimui.
Dėl gautų duomenų mes dabar žinome, kad visata susideda iš šių dalykų:
- 68% tamsios energijos, kuri išlieka pastoviu energijos tankiu, net kai erdvė plečiasi;
Reklaminis vaizdo įrašas:
- 27% tamsiosios medžiagos, kuriai būdinga gravitacinė jėga, neryški didėjant tūriui ir neleidžia jos matuoti naudojant kitą žinomą jėgą;
- 4,9% įprastos medžiagos, kuri pasireiškia visomis jėgomis, yra neryški, kai tūris didėja, susimezga į gabalėlius ir susideda iš dalelių;
- 0,1% neutrinų, kurie veikia gravitacinę ir silpnąją elektros srovę, sudaro dalelės ir beldžiasi tik tada, kai lėtėja pakankamai, kad elgtųsi kaip medžiaga, o ne radiacija;
- 0,01% fotonų, kurie turi gravitacinę ir elektromagnetinę įtaką, elgiasi kaip spinduliuotė ir yra neryškūs tiek didėjant tūriui, tiek tempiant bangos ilgius.
Laikui bėgant šie įvairūs komponentai tampa santykinai daugiau ar mažiau svarbūs, ir šis procentas atspindi tai, iš ko šiandien susideda visata.
Tamsi energija, kaip matyti iš mūsų geriausių matavimų, turi tas pačias savybes bet kuriame kosmoso taške, visomis erdvės kryptimis ir visais mūsų kosminės istorijos epizodais. Kitaip tariant, tamsioji energija yra ir vienalytė, ir izotropinė: ji vienoda visur ir visada. Kiek galime pasakyti, tamsijai energijai nereikia dalelių; tai lengvai gali būti savybė, būdinga kosmoso audiniui.
Tačiau tamsioji materija iš esmės skiriasi.
Kad susiformuotų struktūra, kurią matome Visatoje, ypač dideliu kosminiu mastu, tamsioji materija turi ne tik egzistuoti, bet ir susijungti. Jis negali būti vienodo tankio visoje erdvėje; veikiau, jis turėtų būti sutelktas didesnio tankio regionuose ir turėtų būti mažiau tankus arba jo neturėtų būti mažesnio tankio regionuose. Mes galime iš tikrųjų pasakyti, kiek visos medžiagos yra skirtinguose kosmoso regionuose, vadovaudamiesi stebėjimais. Trys svarbiausi yra:
Materijos galios spektras
Žemėlapyje suraskite visatos materiją, pažiūrėkite, kokiomis skalėmis ji atitinka galaktikas - tai yra, kiek tikėtina, kad rasite kitą galaktiką tam tikru atstumu nuo galaktikos, nuo kurios pradedate, ir ištirkite rezultatą. Jei visata susidėtų iš vienalytės medžiagos, struktūra būtų sutepta. Jei visatoje būtų tamsiosios medžiagos, kuri nesusikauptų pakankamai anksti, nedidelio masto struktūra būtų sunaikinta. Energijos galios spektras mums sako, kad maždaug 85% Visatos materijos atstovauja tamsioji materija, kuri labai skiriasi nuo protonų, neutronų ir elektronų, ir ši tamsioji materija gimė šalta, arba jos kinetinė energija yra panaši į ramybės masę.
Gravitacinis objektyvavimas
Pažvelkite į didžiulį objektą. Tarkime, kvazaras, galaktikos ar galaktikų sankaupos. Pažiūrėkite, kaip fono šviesą iškraipo objekto buvimas. Kadangi mes suprantame gravitacijos dėsnius, kuriuos valdo Einšteino bendrosios reliatyvumo teorija, tai, kaip šviesa yra sulenkta, galime nustatyti, kiek masės yra kiekviename objekte. Naudodami kitus metodus, galime nustatyti masės kiekį, esantį įprastoje medžiagoje: žvaigždėse, dujose, dulkėse, juodosiose skylėse, plazmoje ir kt. Ir vėl pastebime, kad 85% medžiagos atstovauja tamsioji medžiaga. Be to, jis pasiskirstęs difuziškai, drumzliau nei įprasta medžiaga. Tai patvirtina silpnas ir stiprus objektyvavimas.
Kosminis mikrobangų fonas
Pažvelgę į likusį Didžiojo sprogimo spindulį, pamatysite, kad jis yra maždaug vienodas: 2,725 K į visas puses. Bet atidžiau pažvelgus galima pastebėti, kad svarstyklėse nuo dešimčių iki šimtų mikrokelvinų pastebimi maži defektai. Jie pasakoja mums keletą svarbių dalykų, įskaitant paprastosios materijos, tamsiosios materijos ir tamsiosios energijos energijos tankį, bet svarbiausia - pasakoja, kokia visata buvo vienalytė, kai ji buvo tik 0,003% dabartinio amžiaus. Atsakymas yra tas, kad tankiausias regionas buvo tik 0,01% tankesnis nei mažiausiai tankus regionas. Kitaip tariant, tamsioji materija prasidėjo vienalytėje būsenoje ir laikui bėgant kaupėsi.
Susumavus viską, prieiname išvados, kad tamsioji materija turėtų elgtis kaip skystis, užpildantis Visatą. Šis skystis turi nereikšmingą slėgį ir klampumą, reaguoja į radiacijos slėgį, nesusiduria su fotonais ar įprastomis medžiagomis, gimė šaltas ir nereliatyvus ir laikui bėgant susikaupė veikiamas savo gravitacijos. Tai lemia Visatos struktūrų susidarymą didžiausiomis skalėmis. Jis yra labai nevienalytis ir laikui bėgant jo nevienalytiškumas didėja.
Štai ką galime pasakyti apie tai dideliu mastu, nes jie yra susiję su stebėjimais. Mažais masteliais galime tik manyti, kad nėra visiškai tikri, kad tamsioji materija susideda iš dalelių, turinčių savybių, dėl kurių ji taip elgiasi dideliu mastu. Priežastis, dėl kurios mes tai darome, yra ta, kad visata, kiek mums žinoma, yra jos dalelių dalelės, viskas. Jei esate medžiaga, jei turite masę, kvantinį analogą, tuomet neišvengiamai turite susidaryti iš tam tikro lygio dalelių. Tačiau kol neradome šios dalelės, neturime teisės atmesti kitų galimybių: pavyzdžiui, kad tai yra kažkoks skystas laukas, kuris nesusideda iš dalelių, bet veikia erdvės laiką taip, kaip turėtų dalelės.
Štai kodėl taip svarbu bandyti tiesiogiai aptikti tamsiąją medžiagą. Teoriškai neįmanoma patvirtinti ar paneigti pagrindinės tamsiosios materijos sudedamosios dalies, tik praktikoje, paremta stebėjimais. Matyt, tamsioji materija neturi nieko bendra su tamsiąja energija.
Ar jis pagamintas iš dalelių? Kol jų nerasime, galime tik spėlioti. Visata pasireiškia kaip kvantinė prigimtis, kai kalbama apie bet kokią kitą materijos formą, todėl tikslinga manyti, kad tamsioji materija būtų tokia pati.
Ilja Khelis