Vse, kar smo kdaj koli opazili v vesolju, od snovi do sevanja, lahko razgradimo na najmanjše sestavne dele. Vse na tem svetu sestavljajo atomi, ki so sestavljeni iz nukleonov in elektronov, nukleoni pa so razdeljeni na kvarke in gluone. Tudi svetloba je sestavljena iz delcev: fotonov. Tudi gravitacijski valovi so teoretično sestavljeni iz gravitonov: delcev, ki jih nekoč z srečo najdemo in popravimo. Kaj pa temna snov? Posrednih dokazov o njegovem obstoju ni mogoče zanikati. Ali naj bo sestavljen tudi iz delcev?
Navajeni smo misliti, da temno snov sestavljajo delci, in jih brezupno poskušamo zaznati. Kaj pa, če iščemo na napačnem mestu?
Če lahko temno energijo razlagamo kot energijo, značilno za samo tkivo vesolja, ali je lahko tudi »temna snov« notranja funkcija samega prostora - tesno ali oddaljeno povezana s temno energijo? In da bodo namesto temne snovi gravitacijski učinki, ki bi lahko pojasnili naša opažanja, bolj posledica "temne mase"?
No, posebej za vas je fizik Ethan Siegel predstavil naše teoretične pristope in možne scenarije.
Ena izmed najbolj zanimivih lastnosti vesolja je razmerje ena na ena med tem, kaj je v vesolju, in tem, kako se hitrost širjenja spreminja skozi čas. S številnimi natančnimi meritvami številnih različnih virov - zvezd, galaksij, supernov, kozmičnega mikrovalovnega ozadja in obsežnih struktur vesolja - smo lahko izmerili oboje in ugotovili, iz česa je vesolje. V bistvu obstaja veliko različnih idej o tem, iz česa je lahko naše Vesolje, in vsi imajo različne učinke na kozmično širitev.
Zahvaljujoč pridobljenim podatkom zdaj vemo, da je vesolje sestavljeno iz naslednjega:
- 68% temne energije, ki ostaja pri konstantni gostoti energije tudi takrat, ko se prostor širi;
Promocijski video:
- 27% temne snovi, ki kaže gravitacijsko silo, je zamegljeno, ko se prostornina poveča, in se ne da izmeriti z nobeno drugo znano silo;
- 4,9% navadne snovi, ki kaže vse sile, se s povečanjem prostornine zamegli, se zavozla v grudice in je sestavljeno iz delcev;
- 0,1% nevtrinov, ki kažejo gravitacijsko in elektrošibko interakcijo, je sestavljenih iz delcev in trkajo le takrat, ko se upočasnijo, da se obnašajo kot snov, ne pa sevanje;
- 0,01% fotonov, ki imajo gravitacijske in elektromagnetne vplive, se obnaša kot sevanje in je zamegljeno tako z naraščajočo prostornino kot z raztezanjem valovnih dolžin.
Sčasoma postanejo te različne komponente razmeroma bolj ali manj pomembne in ta odstotek predstavlja tisto, iz česar je danes sestavljeno vesolje.
Temna energija ima, kot izhaja iz naših najboljših meritev, enake lastnosti v kateri koli točki vesolja, v vseh smereh vesolja in v vseh epizodah naše kozmične zgodovine. Z drugimi besedami, temna energija je hkrati homogena in izotropna: povsod in vedno je enaka. Kolikor lahko ugotovimo, temna energija ne potrebuje delcev; zlahka je lahko lastnost vesoljske tkanine.
Toda temna snov je bistveno drugačna.
Za strukturo, ki jo vidimo v vesolju, zlasti v velikem kozmičnem merilu, mora temna snov obstajati ne samo, ampak tudi združiti. V vesolju ne more imeti enake gostote; namesto tega bi moral biti koncentriran v regijah z večjo gostoto in bi moral biti manj gost ali v celoti odsoten v regijah z manjšo gostoto. Dejansko lahko ugotovimo, koliko celotne snovi je v različnih prostorih, pod vodstvom opazovanj. Tri najpomembnejše so:
Močni spekter snovi
Kartirajte snov v vesolju, poglejte, v kakšnem merilu ustreza galaksijam - torej, kako verjetno boste našli drugo galaksijo na določeni razdalji od galaksije, s katero začnete - in preučite rezultat. Če bi vesolje sestavljalo homogena snov, bi bila struktura zamazana. Če bi bila v vesolju temna snov, ki se ni zbrala dovolj zgodaj, bi bila struktura v majhnem obsegu uničena. Energetski spekter energije nam pove, da približno 85% snovi v vesolju predstavlja temna snov, ki se resno razlikuje od protonov, nevtronov in elektronov, in ta temna snov se je rodila hladna ali pa je njena kinetična energija primerljiva z maso počitka.
Gravitacijsko leče
Oglejte si masivni predmet. Recimo kvazar, galaksija ali jata galaksij. Oglejte si, kako izkrivlja svetlobo v ozadju prisotnost predmeta. Ker razumemo zakone gravitacije, ki jih ureja Einsteinova teorija splošne relativnosti, nam upogibanje svetlobe omogoča, da ugotovimo, koliko mase je prisotno v vsakem predmetu. Z drugimi metodami lahko določimo količino mase, ki je prisotna v navadni snovi: zvezde, plin, prah, črne luknje, plazma itd. In spet ugotovimo, da 85% snovi predstavlja temna snov. Poleg tega je bolj razpršeno, motno kot običajna snov. To potrjuje šibko in močno leče.
Kozmično mikrovalovno ozadje
Če pogledate preostali sij sevanja Big Bang, boste ugotovili, da je približno enakomeren: 2,725 K v vse smeri. Če pa si ga natančneje ogledate, lahko ugotovite, da na lestvicah od deset do stotine mikrokelvin opazimo drobne napake. Povedo nam nekaj pomembnih stvari, vključno z gostoto energije navadne snovi, temne snovi in temne energije, predvsem pa nam povedo, kako homogeno je bilo vesolje, ko je bilo le 0,003% njegove trenutne starosti. Odgovor je, da je bilo najbolj gosto območje zgolj za 0,01% gostejše od najmanj gostega območja. Z drugimi besedami, temna snov se je začela v homogenem stanju in se sčasoma strnila.
Če vse skupaj združimo, pridemo do zaključka, da bi se morala temna snov obnašati kot tekočina, ki napolni vesolje. Ta tekočina ima zanemarljiv tlak in viskoznost, reagira na sevalni tlak, ne trči s fotoni ali navadno snovjo, rojena je bila hladna in nerelativistična ter se sčasoma povečuje pod vplivom lastne teže. Določa nastanek struktur v vesolju na največjih lestvicah. Je zelo heterogen in obseg njegove heterogenosti se sčasoma povečuje.
Tukaj lahko povemo o tem v velikem obsegu, saj se nanašajo na opažanja. Na majhnih lestvicah lahko samo domnevamo, da nismo povsem prepričani, da je temna snov sestavljena iz delcev z lastnostmi, zaradi katerih se tako vede v velikem obsegu. Razlog za to domnevamo, ker je vesolje, kolikor vemo, sestavljeno iz delcev v svojem jedru, to je vse. Če ste snov, če imate maso, kvantni analog, potem morate neizogibno sestavljati delce na določeni ravni. Dokler pa tega delca ne najdemo, nimamo pravice izključevati drugih možnosti: na primer, da je to nekakšno tekoče polje, ki ni sestavljeno iz delcev, ampak vpliva na prostor-čas tako, kot bi morali delci.
Zato je tako pomembno, da poskušamo neposredno zaznati temno snov. Teoretično ni mogoče potrditi ali zanikati temeljne sestavine temne snovi, le v praksi, podkrepljeno z opažanji. Očitno temna snov nima nič skupnega s temno energijo.
Je narejen iz delcev? Dokler jih ne najdemo, lahko samo ugibamo. Vesolje se kaže kot kvant v naravi, kadar gre za katero koli drugo snov, zato je smiselno domnevati, da bi bila temna snov enaka.
Ilya Khel