Kenraali

Pimeän aineen ja pimeän energian suuret mysteerit


Yksi maailmankaikkeuden hämmentävimmistä mysteereistä on yksinkertaisesti: "missä kaikki on?"

Kaikki mitä voimme nähdä, löytää tai olla vuorovaikutuksessa, koostuu hiukkasista, jotka useimmiten ymmärrämme, kuten fotonit, elektronit, kvarkit ja gluonit.

Silti kun katsomme ympärillämme olevaan suurempaan kosmiseen valtamereen, havaitsemme, että kaikki tämä muodostaa hieman alle 5% maailmankaikkeudesta; loput ovat näkymättömiä. Kutsumme puuttuvia komponentteja pimeäksi energiaksi (68%) ja pimeäksi aineeksi (27%), mutta tässä on asia…

Emme oikeastaan ​​tiedä mitä ne ovat.

On kuitenkin olemassa muutamia noudattavia teorioita sen perusteella, mitä tiedämme näistä asioista. Lisäksi on paljon sellaista, mitä voimme sanoa varmasti näistä vaikeasti saavutettavista energioista tuhansien tutkijoiden loistavan yhdistetyn työn ansiosta.

Mitä me todella tiedämme?

Siellä on niin paljon, mistä emme tiedä pimeä aine ja tumma energia, mutta on monia asioita, jotka voimme lopullisesti sanoa niistä.

Olemme havainneet, että pimeä energia vaikuttaa maailmankaikkeuden laajentumiseen, ja siitä tulee vasta 6–9 miljardia vuotta sitten näkyvä ja havaittavissa.

Se näyttää olevan sama kaikissa suunnissa, koska sillä on vakio energiatiheys koko ajan, eikä se kasaan tai rypisty aineen kanssa osoittaen, että se on tasainen koko avaruudessa.

Kun katsomme, kuinka maailmankaikkeus laajenee, pimeä energia on ehdottoman välttämätöntä, ja noin 68% maailmankaikkeuden kokonaisenergiasta on tällä hetkellä tumman energian muodossa.

Toisaalta pimeä aine on osoittanut vaikutuksensa maailmankaikkeutemme koko 13,8 miljardin vuoden historiaan. Suuri rakenteellinen kosminen verkko varhaisimmista ajoista nykypäivään edellyttää, että pimeää ainetta esiintyy noin viisi kertaa normaalin aineen runsaudessa.

Pimeä aine kasaantuu ja klusteroituu, ja sen vaikutukset näkyvät varhaisimpien kvasaarien, galaksien ja kaasupilvien muodostumisessa.

Jo ennen sitä pimeän aineen gravitaatiovaikutukset näkyvät maailmankaikkeuden varhaisimmassa valossa: kosmisen mikroaaltotaustan tai Suuren paukun jäljellä olevan hehkun.

Puutteiden malli edellyttää, että maailmankaikkeus koostuu noin 27% pimeästä aineesta verrattuna vain 5% normaaliin aineeseen. Ilman sitä kaikkea havaittua olisi mahdotonta selittää.

Mutta merkitseekö tämä välttämättä sitä, että pimeä aine ja pimeä energia luotiin jo alkuräjähdyksen aikaan? Vai onko muita mahdollisuuksia?

Maailmankaikkeuden vaikea asia on se, että voimme nähdä vain ne osat, jotka ovat meille tänään saatavilla. Kun vaikutus on liian pieni havaittavaksi - esimerkiksi silloin, kun muut vaikutukset ovat tärkeämpiä - voimme tehdä vain päätelmiä, ei vakaita johtopäätöksiä.

Missä ongelmat ovat pimeässä energiassa:

Liian pienet vaikutukset näkyvät erityisen ongelmallisina pimeälle energialle. Kun maailmankaikkeus laajenee, se laimenee; tilavuus kasvaa samalla kun siinä olevien hiukkasten kokonaismäärä pysyy samana.

Aineen tiheys (sekä normaali että tumma) laskee, mutta pimeän energian tiheys pysyy vakiona.

Universumimme voi olla tumman energian hallitsema tänään, mutta tämä on suhteellisen uusi tapahtuma. Aiemmin maailmankaikkeus oli pienempi ja tiheämpi, eli aineen tiheydet olivat paljon suurempia.

Noin 6 miljardia vuotta sitten aine ja pimeän energian tiheydet olivat samat; noin 9 miljardia vuotta sitten pimeän energian tiheys on riittävän pieni, jotta sen vaikutukset maailmankaikkeuden laajenemisnopeuteen eivät olleet havaittavissa.

Mitä kauempana ekstrapoloimme ajassa taaksepäin (tai maailmankaikkeuden koon / mittakaavan), sitä vaikeampaa on nähdä ja mitata pimeän energian vaikutuksia.

Parhaan kykymme mukaan näyttää siltä, ​​että pimeällä energialla on ehdottomasti vakio energiatiheys.

Voimme käyttää tietoja, jotka meillä on rajoittaa pimeän energian tilayhtälöä, joka on parametrisoitu tunnuksellaw. Jos pimeä energia on täsmälleen kosmologinen vakio, niinw = -1, tarkalleen eikä muutu ajan myötä.

Tämä ei välttämättä tarkoita, että pimeää energiaa on aina ollut olemassa tasaisella energiatiheydellä. Se voisi muuttua ajan myötä, kunhan se muuttuu joissakin havainnointirajoituksissa.

Siellä voisi olla yhteyspimeän energian ja maailmankaikkeuden alkuvaiheen, ennen suurta räjähdystä, laajennuksen välillä, joka tunnetaan nimellä kosminen inflaatio, mikä on ajatus kvintessenssikentistä (niin monimutkainen käsite, ettemme aio koskettaa sitä 10-jalkaisella napalla).

Tai pimeä energia voi olla vaikutus, jota ei ollut olemassa maailmankaikkeuden varhaisimmissa vaiheissa, ja se ilmeni vasta paljon viime aikoina.

Meillä ei ole todisteita, jotka puhuisivat tavalla tai toisella pimeän energian läsnäolosta tai poissaolosta maailmankaikkeuden historian noin 4 miljardin vuoden ajan.

Meillä on hyvät syyt olettaa, ettei se ole muuttunut, mutta emme havainnointivarmuutta sen tukemiseksi. Mikä on varmasti ajanut enemmän kuin vain muutaman astrofyysikon hulluuden partaalle?

Pimeän aineen pimeä todellisuus:

Toisin kuin pimeässä energiassa, pimeän aineen on täytynyt olla olemassa käytännössä alusta alkaen.

Taustasäteilyssä näkemämme vaihteluiden malli on aikaisimmat todisteet pimeästä aineesta maailmankaikkeumassamme, joka on peräisin noin 380 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen.

Mielenkiintoisinta on, että jo piikkien ja laaksojen kuvioon on painettu se kriittinen 5: 1-suhde normaaliin aineeseen.

Pimeä aine ei ole vain tarjonnut rakenteen siemeniä, mikä saa yhä enemmän pimeää ainetta putoamaan liian tiheille alueille (ja häviämään alitiheiltä alueilta), mutta on tehnyt niin myös maailmankaikkeuden varhaisimmista vaiheista lähtien .

Tämä ei kuitenkaan tarkoita sitä, että pimeää ainetta oli läsnä alkuräjähdyksen hetkellä.

Pimeä aine olisi voitu luoda heti inflaation päättyessä; se olisi voitu luoda korkean energian vuorovaikutuksesta, joka tapahtui välittömästi sen jälkeen; se olisi voinut jopa syntyä hiukkasista Grand Unifying Theory -energia-asteikoilla joskus paljon myöhemmin.

Emme yksinkertaisesti tiedä.

Tietämättä tarkalleen mitä pimeä aine on - mukaan lukien onko se hiukkasia vai ei - emme voi varmuudella sanoa tarkalleen milloin se on voinut syntyä.

Mutta maailmankaikkeuden laajamittaisen rakenteen mittauksista, mukaan lukien allekirjoitukset, jotka on painettu kaikkien aikaisin kuvaan, voimme olla varmoja siitä, että pimeä aine syntyi alkuräjähdyksen varhaisessa vaiheessa ja mahdollisesti aivan alussa. kaikesta.

Pimeä energia on voinut olla koko ajan, tai se voi olla syntynyt vasta paljon myöhemmin. Myöhemmät näyttävät olevan paljon todennäköisempiä, koska ajatusta tutkitaan huomattavasti, että pimeä energia syntyy ja tulee tärkeäksi universumissa vain monimutkaisen rakenteen muodostuessa.

Odota - tiedämmekö todella mitään?

Nykyaikaisen kosmologian suuri haaste on paljastaa näiden universumin puuttuvien osien luonne. Jos voimme tehdä juuri sen, alamme ymmärtää, milloin ja kuinka pimeä aine ja tumma energia syntyivät.

Voimme varmasti sanoa, että jo varhaisessa vaiheessa säteily oli maailmankaikkeuden hallitseva komponentti, ja pieniä määriä normaalia ainetta oli aina läsnä.

Pimeä aine on saattanut syntyä alussa tai se voi syntyä hieman myöhemmin, mutta silti hyvin varhaisessa vaiheessa. Pimeän energian uskotaan olevan aina ollut siellä, mutta siitä tuli tärkeä ja havaittavissa vasta, kun maailmankaikkeus oli jo miljardeja vuosia vanha.

Lopun määrittäminen on tieteellisen tulevaisuutemme tehtävä.


Katso video: Opiskelijat kertovat Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta. Helsingin yliopisto (Kesäkuu 2021).