Всичко, което някога сме наблюдавали във Вселената, от материя до радиация, може да се разложи на най-малките компоненти. Всичко в този свят се състои от атоми, които са съставени от нуклони и електрони, а нуклоните са разделени на кварки и глуони. Светлината също се състои от частици: фотони. Дори гравитационните вълни на теория се състоят от гравитони: частици, които един ден, ако имаме късмет, откриваме и поправяме. Но какво да кажем за тъмната материя? Косвени доказателства за съществуването му не могат да бъдат отречени. Но трябва ли да е и от частици?
Свикнали сме да мислим, че тъмната материя се състои от частици, и ние безнадеждно се опитваме да ги открием. Но какво, ако търсим на грешното място?
Ако тъмната енергия може да се тълкува като енергия, присъща на самата тъкан на пространството, може ли да се окаже, че „тъмната материя“е и вътрешна функция на самото пространство - тясно или отдалечено свързана с тъмната енергия? И че вместо тъмната материя, гравитационните ефекти, които биха могли да обяснят нашите наблюдения, ще се дължат повече на „тъмната маса“?
Е, специално за вас, физикът Итън Сийгъл изложи нашите теоретични подходи и възможни сценарии.
Една от най-интересните черти на Вселената е индивидуалната връзка между това, което е във Вселената и как скоростта на разширяване се променя с течение на времето. Чрез много внимателни измервания на много различни източници - звезди, галактики, свръхнови, космическия микровълнов фон и мащабните структури на Вселената - успяхме да измерим и двете, определяйки от какво е направена Вселената. По принцип има много различни идеи за това от какво може да се състои нашата Вселена и всички те имат различни ефекти върху космическото разширение.
Благодарение на получените данни вече знаем, че Вселената се състои от следното:
- 68% тъмна енергия, която остава с постоянна енергийна плътност, дори когато пространството се разширява;
Промоционално видео:
- 27% от тъмната материя, която проявява гравитационна сила, се размива при увеличаване на обема и не позволява да бъде измерена с помощта на друга известна сила;
- 4,9% от обикновената материя, която проявява всички сили, се размива с увеличаване на обема, възли на бучки и се състои от частици;
- 0,1% неутрино, които проявяват гравитационно и електрослабо взаимодействие, са съставени от частици и се чукат заедно само когато забавят достатъчно, за да се държат по-скоро като материя, отколкото като радиация;
- 0,01% от фотоните, които проявяват гравитационни и електромагнитни влияния, се държат като радиация и се размиват както с увеличаване на обема, така и с разтягане на дължините на вълните.
С течение на времето тези различни компоненти стават относително повече или по-малко важни и този процент представлява това, от което се състои вселената днес.
Тъмната енергия, както следва от нашите най-добри измервания, има едни и същи свойства във всяка точка на пространството, във всички посоки на космоса и във всички епизоди от нашата космическа история. С други думи, тъмната енергия е едновременно еднородна и изотропна: тя е еднаква навсякъде и винаги. Доколкото можем да разберем, тъмната енергия не се нуждае от частици; лесно може да бъде свойство, присъщо на тъканта на пространството.
Но тъмната материя е коренно различна.
За да се образува структурата, която виждаме във Вселената, особено в голям космически мащаб, тъмната материя трябва не само да съществува, но и да се събере. Не може да има еднаква плътност в цялото пространство; по-скоро той трябва да бъде концентриран в райони с по-висока плътност и трябва да бъде по-малко плътен или да липсва изобщо в райони с по-ниска плътност. Всъщност можем да кажем каква част от цялата материя е в различните области на космоса, като се ръководим от наблюдения. Трите най-важни са:
Спектър на мощността на материята
Картирайте материята във Вселената, вижте в какви мащаби тя отговаря на галактиките - т.е. колко вероятно е да намерите друга галактика на определено разстояние от галактиката, с която започвате - и проучете резултата. Ако Вселената се състоеше от еднородна субстанция, структурата щеше да бъде размазана. Ако във Вселената имаше тъмна материя, която не се събира достатъчно рано, структурата в малък мащаб ще бъде унищожена. Енергийният спектър на енергията ни казва, че приблизително 85% от материята във Вселената е представена от тъмна материя, която е сериозно различна от протоните, неутроните и електроните, и тази тъмна материя е родена студена или нейната кинетична енергия е сравнима с масата в покой.
Гравитационна леща
Погледнете масивния обект. Да речем, квазар, галактика или галактически клъстери. Вижте как светлината на фона се изкривява от присъствието на обект. Тъй като разбираме законите на гравитацията, управлявани от теорията за общата относителност на Айнщайн, начина на огъване на светлината ни позволява да определим колко маса има във всеки обект. Чрез други методи можем да определим количеството маса, което присъства в обикновената материя: звезди, газ, прах, черни дупки, плазма и др. И отново откриваме, че 85% от материята е представена от тъмна материя. Нещо повече, той се разпространява по-дифузно, мътно, отколкото обикновената материя. Това се потвърждава от слабите и силни лещи.
Космически микровълнов фон
Ако погледнете останалото сияние на радиацията от Големия взрив, ще откриете, че то е приблизително равномерно: 2.725 K във всички посоки. Но ако погледнете отблизо, можете да откриете, че малки дефекти се наблюдават на скали от десетки до стотици микрокелвин. Те ни казват няколко важни неща, включително енергийните плътности на обикновената материя, тъмната материя и тъмната енергия, но най-важното е, че ни казват колко хомогенна е била Вселената, когато е била само 0,003% от сегашната си възраст. Отговорът е, че най-плътният регион е бил само с 0,01% по-плътен от най-плътния регион. С други думи, тъмната материя започва в хомогенно състояние и се събира заедно с течение на времето.
Събирайки всичко това, стигаме до извода, че тъмната материя трябва да се държи като течност, която изпълва Вселената. Тази течност има незначително налягане и вискозитет, реагира на радиационно налягане, не се сблъсква с фотони или обикновена материя, родена е студена и нерелативистична и се струпва под въздействието на собствената си гравитация с течение на времето. Той определя формирането на структури във Вселената в най-големи мащаби. Той е силно хетерогенен и големината на неговата хетерогенност се увеличава с течение на времето.
Ето какво можем да кажем за него в голям мащаб, тъй като те се отнасят до наблюдения. На малки мащаби можем само да предположим, не напълно сигурни, че тъмната материя е съставена от частици със свойства, които я карат да се държи по този начин в голям мащаб. Причината да предполагаме това е, защото Вселената, доколкото ни е известно, е изградена от частици в основата си, това е всичко. Ако сте вещество, ако имате маса, квантов аналог, тогава неизбежно трябва да се състои от частици на определено ниво. Но докато не намерим тази частица, нямаме право да изключваме други възможности: например, че това е някакъв вид течно поле, което не се състои от частици, а засяга пространството-времето по начина, по който трябва да бъдат частиците.
Ето защо е толкова важно да се опитате директно да откриете тъмната материя. Невъзможно е да се потвърди или отрече основната съставка на тъмната материя на теория, само на практика, подкрепена от наблюдения. Очевидно тъмната материя няма нищо общо с тъмната енергия.
Направен ли е от частици? Докато ги намерим, можем само да гадаем. Вселената се проявява като квантова в природата, когато става въпрос за друга форма на материя, така че е разумно да се предположи, че тъмната материя би била същата.
Иля Хел