Иако већина тамне материје у галаксији постоји у огромном халу који нас обухвата, свака поједина честица тамне материје ствара елиптичну орбиту под утицајем гравитације. Ако је тамна материја сопствена античестица, а научимо како да је искористимо, то може бити крајњи извор слободне енергије. (ЕСО / Л. Цалцада)

Питајте Етхана: Може ли тамна материја уопће бити честица?

Увек претпостављамо да је тамна материја заснована на честицама и тек требамо пронаћи која је она честица. Али шта ако није тако?

Све што смо икада открили у Универзуму, од материје до радијације, може се рашчланити на његове најмање састојке. Све на овом свету је направљено од атома, који су направљени од језгара и електрона, где су сама језгра направљена од кваркова и глуона. Сама светлост је направљена од честица: фотона. Чак су и гравитациони таласи у теорији направљени од гравитона: честице које бисмо једног дана могли да створимо и откријемо. Али шта је са тамном материјом? Индиректни докази за његово постојање су огромни и надасве велики, али мора ли и она бити честица? То је оно што наш навијач Патреона Даррен Редферн жели знати, док пита:

Ако се тамна енергија може тумачити као енергија својствена тканини самог простора, да ли је могуће да је оно што ми доживљавамо као „тамна материја“ такође својствена функција самог простора - било чврсто или лабаво спојена са тамном енергијом? То је, уместо да тамна материја буде делимична, да ли би могла прожимати сав простор са (хомогеним или хетерогеним) гравитационим ефектима који би објаснили наша запажања - више о „тамној маси“?

Погледајмо доказе и видимо шта нам говори о могућностима.

Ширење (или контракција) простора је неопходна последица у Универзуму који садржи масе. Али брзина експанзије и како се понаша током времена квантитативно зависе од тога шта је у вашем Универзуму. (Научни тим НАСА / ВМАП)

Једна од најупечатљивијих карактеристика Универзума је однос један на један између онога што је у Универзуму и како се стопа ширења временом мења. Кроз мноштво пажљивих мерења многих различитих извора - укључујући звезде, галаксије, супернове, космичку микроталасну позадину и структуру Универзума великих размера - успели смо да измеримо оба, утврђујући од чега је направљен наш Универзум. од. У принципу, постоји мноштво различитих ствари за које можемо да замислимо да је могао бити направљен наш Универзум, који све различито утичу на космичку експанзију.

Разне компоненте и доприносе енергетској густини Универзума и када могу да доминирају. Да су космички низови или зидови домена постојали у било којој значајној количини, они би значајно допринели ширењу Универзума. (Е. Сиегел / Беионд тхе Галаки)

Захваљујући комплетном пакету наших података, сада знамо да смо направљени од:

  • 68% тамне енергије, која остаје при константној густини енергије чак и како се простор шири,
  • 27% тамна материја, која делује гравитационом силом, разблажава се како се запремина повећава, а не може мерљиво да делује у односу на неку другу познату силу
  • 4.9% нормалне материје, која делује свим силама, разблажава се како се запремина повећава, зближава и састоји се од честица,
  • 0,1% неутрина, који делују гравитационо и слабом силом, сачињавају се од честица и зближавају се само када се успоравају довољно да се понашају као материја уместо зрачења,
  • и 0,01% фотона, који делују гравитационо и електромагнетно, делују као зрачење и разблажују се како се обим повећава, тако и његова таласна дужина растеже.

Временом, ове различите компоненте постају релативно мање или више важне, где ови проценти представљају оно што је Универзум направљен данас.

Графикон привидне брзине ширења (оси и) у односу на растојање (к-ос) је у складу са Универзумом који се проширио брже, али се и данас шири. Ово је модерна верзија, која се протеже хиљадама пута даље од Хубблеовог оригиналног дела. Различите криве представљају Универзуме направљене од различитих саставних делова. (Нед Вригхт, на основу најновијих података Бетоуле ет ал. (2014))

Чини се да тамна енергија, према најбољим мерењима, има исту вредност и својства на свакој локацији у свемиру, у свим правцима на небу и у свим тренуцима током наше космичке историје. Другим речима, тамна енергија се појављује и хомогена и изотропна: иста је свуда и у сваком тренутку. Као што знамо, тамна енергија не мора имати честице; лако може бити својство својствено материји самог простора.

Али тамна материја је у основи другачија.

На највећим скалама начин на који се галаксије посматрачки сједињене (плава и љубичаста) не могу се упоредити симулацијама (црвене), осим ако није укључена тамна материја. (Герард Лемсон & Конзорцијум Девица, са подацима из СДСС, 2дФГРС и Миленијумске симулације)

Да би се формирала структура коју ми видимо у Универзуму, посебно на великим, космичким размерама, тамна материја не само да мора да постоји, већ је треба да је споји. Не може имати исту густину на свакој локацији у простору; уместо тога, мора бити концентрисан у пренапученим регионима и треба да буде испод просечне густине или чак потпуно изостаје из пренапучених региона. Заправо можемо рећи колико је укупне материје у разним регионима простора из неколико различитих скупова опажања. Следеће су три најважнија.

Подаци о кластеру великих размера (тачкице) и предвиђање Универзума са 85% тамне материје и 15% нормалне материје (пуна линија) се подударају невероватно добро. Недостатак пресека указује на температуру (и хладноћу) тамне материје; величина вигглеса указује на однос нормалне и тамне материје. (Л. Андерсон и др. (2012), за Слоан Дигитал Ски Сурвеи)

1.) Спектар моћи материје: пресликајте материју у Универзуму, погледајте на којој скали су галаксије повезане - мерило вероватноће да ћете наћи нову галаксију на удаљености од оне са којом започињете - и исцртајте је. Да имате Универзум који је направљен од једноличних материја, структура коју бисте видели би била размазана. Да имате Универзум који је имао тамну материју која се није рано поцела разарати, структура на малим вагама била би уништена. Овај спектар снаге материје нас учи да је око 85% материје у Универзуму тамна материја, потпуно одвојена од протона, неутрона и електрона, а та тамна материја је рођена хладном температуром или са кинетичком енергијом која је била мала у поређењу са његова маса за одмор.

Расподела масе кластера Абелл 370. реконструисана гравитационим сочивањем показује два велика, дифузна хало масе, у складу са тамном материјом са два спајајућа сегмента да се створи оно што овде видимо. Око и кроз сваку галаксију, кластер и масовно прикупљање нормалне материје постоји укупно 5 пута више тамне материје. (НАСА, ЕСА, Д. Харвеи (Ецоле Политецхникуе Федерале де Лаусанне, Швајцарска), Р. Массеи (Универзитет Дурхам, УК), Хуббле СМ4 ЕРО тим и СТ-ЕЦФ)

2.) Гравитационо сочивање: погледајте масивни објекат, попут квазара, галаксије или скупа галаксија, и погледајте како позадинско светло искривљује његово присуство. Будући да разумемо законе гравитације, како управља Еинстеинова општа релативност, начин на који се светлост савија омогућава да закључимо колико масе има у сваком објекту. Помоћу других метода можемо утврдити количину масе присутне у нормалној материји: звезде, гас, прашина, црне рупе, плазма, итд. Опет, откривамо да у просеку 85% присутне материје мора да бити тамна материја и штавише, дистрибуирана је у дифузнијој конфигурацији попут облака него што је то уобичајена материја. И слаба сочива и јака сочива то потврђују.

Структура ЦМБ врхова се мења у зависности од тога шта постоји у Универзуму. (В. Ху и С. Доделсон, Анн.Рев.Астрон.Астропхис.40: 171–216,2002)

3.) Космичка микроталасна позадина: ако погледате остатак зрачења из Великог праска, видећете да је отприлике уједначен: 2,725 К у свим правцима. Али ако погледате детаљније детаље, установит ћете да на вагама од десет до стотина µК постоје ситне несавршености, на свим врстама угаоних размјера. Ове флуктуације нам говоре низ важних ствари, укључујући нормалну густину материје / тамне материје / тамне енергије, али највећа ствар коју нам кажу је колико је Универзум био уједначен када је био само 0,003% свог тренутног доба, а одговор је да је најгушћа регија била само око 0,01% гушћа од најмање густе регије. Другим речима, тамна материја је почела да се формира једнообразно, а затим се скупила заједно како време пролази!

Детаљан поглед на Универзум открива да је сачињен од материје, а не антиматерије, да је потребна тамна материја и тамна енергија и да не знамо порекло било које од ових мистерија. Међутим, флуктуације у ЦМБ-у, формирање и корелације између велике структуре и модерних осматрања гравитационог сочива све упућују на исту слику. (Цхрис Блаке и Сам Моорфиелд)

Спајајући све ово заједно, долазимо до закључка да се тамна материја мора понашати попут течности која прожима Универзум. Ова течност има занемарљиво мали притисак и вискозитет, реагује на притисак зрачења, не судара се са фотонима или нормалном материјом, рођена је хладна и нерелативистичка, и скупља се заједно под силом сопствене гравитације током времена . Она покреће формирање структуре у Универзуму на највећим размерама. Веома је нехомогена, с величином ових нехомогености расте временом.

То можемо рећи о томе у великим размерама, где је то повезано са посматрањем. На малим вагама сумњамо - али нисмо сигурни - да је то због тога што се тамна материја састоји од честица са својствима која чине да се она понаша овако на великим вагама. Разлог за који то претпостављамо је тај што је Универзум, колико знамо, једноставно састављен од честица, краја приче! Ако сте материја и ако имате масу, имате квантну протувриједност, а то значи недјељиву честицу на неком нивоу. Али док директно не откријемо ову честицу, не постоји начин да искључимо другу могућност: да је то нека врста флуидног поља која није заснована на честицама, али утиче на просторно време на исти начин као што би то чинио скуп честица.

Ограничења за ВИМП тамну материју су прилично експериментална. Најнижа крива искључује попречне пресеке ВИМП (слабо интерактивне масивне честице) и масе тамне материје за све што се налази изнад ње (Ксенон-100 Цоллаборатион (2012), преко хттп://аркив.орг/абс/1207.5988)

Зато су покушаји директног откривања толико важни! Као теоретичар сам написао докторат. теза о формирању великих структура, добро сам свјестан да је оно што можемо учинити невјероватно моћно у погледу предвиђања посматрачких података, посебно на великим скалама. Али теоретски не можемо да потврдимо да ли је тамна материја честица или не. Једини начин за то је директно откривање; без њега можете да имате јаке индиректне доказе, али неће бити отпорни на метке. Чини се да ни на који начин није спојена са тамном енергијом, јер је тамна енергија заиста једнолика у свемиру, а предвиђања на великим скалама говоре нам како она делује гравитационо и другим силама прилично тачно.

Токови тамне материје покрећу накупљање галаксија и формирање структуре великих размера, као што је приказано у овој КИПАЦ / Станфорд симулацији. (О. Хахн и Т. Абел (симулација); Ралф Каехлер (визуализација))

Али је ли то честица? Док га не откријемо, можемо само претпоставити одговор. Универзум се показао квантном по природи што се тиче сваког другог облика материје, па је разумно претпоставити да би и тамна материја била. Имајте на уму, међутим, да овакво резоновање има своја ограничења. На крају крајева, све слиједи исто правило, све остало слиједи, али само док више не ураде! На неименованој смо територији с тамном материјом и важно је бити понизан пред великим непознаницама у овом Универзуму.

Пошаљите своја питања питајте Етхана на стартвитхабанг на гмаил дот цом!

Стартс Витх А Банг је сада на Форбесу, а објављен је на Медиум захваљујући нашим присталицама Патреон-а. Етхан је аутор две књиге, Беионд Тхе Галаки и Трекнологи: Тхе Сциенце оф Стар Трек од Трицордерс до Варп Дриве-а.