Allt som vi någonsin har observerat i universum, från materia till strålning, kan sönderdelas i de minsta komponenterna. Allt i denna värld består av atomer, som består av nukleoner och elektroner, och nukleoner är uppdelade i kvarkar och gluoner. Ljus består också av partiklar: fotoner. Även gravitationsvågor består i teorin av gravitoner: partiklar som vi en dag, om vi har tur, hittar och fixar. Men hur är det med mörk materia? Indirekta bevis för dess existens kan inte förnekas. Men ska den också bestå av partiklar?
Vi är vana att tänka att mörk materia består av partiklar och vi försöker hopplöst att upptäcka dem. Men tänk om vi tittar på fel plats?
Om mörk energi kan tolkas som energi som är inneboende i själva rymdens tyg, kan det vara så att "mörk materia" också är en inre funktion i rymden i sig - nära eller fjärrrelaterad till mörk energi? Och att istället för mörk materia kommer de gravitationseffekter som kan förklara våra observationer mer på grund av "mörk massa"?
Tja, särskilt för dig, har fysikern Ethan Siegel lagt upp våra teoretiska tillvägagångssätt och möjliga scenarier.
En av de mest intressanta sakerna med universum är det en-till-ett-förhållandet mellan det som finns i universum och hur expansionstakten förändras över tiden. Genom många noggranna mätningar av många olika källor - stjärnor, galaxer, supernovaer, den kosmiska mikrovågsbakgrunden och universums storskaliga strukturer - kunde vi mäta båda och bestämma vad universum består av. I grund och botten finns det många olika idéer om vad vårt universum kan bestå av, och de har alla olika effekter på kosmisk expansion.
Tack vare de erhållna uppgifterna vet vi nu att universum består av följande:
- 68% mörk energi, som förblir vid en konstant energitäthet även med expansion av rymden;
Kampanjvideo:
- 27% av mörk materia, som uppvisar en gravitationskraft, är suddig när volymen ökar och inte låter sig mätas med någon annan känd kraft;
- 4,9% av vanligt material, som manifesterar alla sina krafter, är suddig när volymen ökar, knyter till klumpar och består av partiklar;
- 0,1% neutrinoer, som uppvisar gravitations- och elektrosvag interaktioner, består av partiklar och slår ihop bara när de saktar ner tillräckligt för att bete sig som materia snarare än strålning;
- 0,01% av fotonerna, som uppvisar gravitations- och elektromagnetiska influenser, beter sig som strålning och är suddiga både med ökande volym och med sträckning av våglängder.
Med tiden blir dessa olika komponenter relativt mer eller mindre viktiga, och denna procentsats representerar vad universum består av idag.
Mörk energi, enligt våra bästa mätningar, har samma egenskaper när som helst i rymden, i alla rymdriktningar och i alla episoder av vår kosmiska historia. Med andra ord är mörk energi både homogen och isotrop: den är densamma överallt och alltid. Såvitt vi kan säga behöver mörk energi inte partiklar; det kan lätt vara en egendom som är inneboende i rymdens struktur.
Men mörk materia är fundamentalt annorlunda.
För att strukturen som vi ser i universum ska bildas, särskilt i stor kosmisk skala, måste mörk materia inte bara existera utan också komma ihop. Den kan inte ha samma densitet genom hela rymden; snarare bör den koncentreras i regioner med högre densitet och bör vara mindre tät eller helt frånvarande i regioner med lägre densitet. Vi kan faktiskt säga hur mycket av den totala materien som finns i olika områden av rymden, styrd av observationer. De tre viktigaste är:
Kraftspektrum av materia
Kartlägg materia i universum, se i vilken skala det motsvarar galaxer - det vill säga hur sannolikt det är att du hittar en annan galax på ett visst avstånd från galaxen du börjar med - och studera resultatet. Om universum bestod av en homogen substans skulle strukturen smetas ut. Om det fanns mörk materia i universum som inte samlades tillräckligt tidigt, skulle strukturen i liten skala förstöras. Kraftens spektrum av energi berättar att ungefär 85% av materien i universum representeras av mörk materia, som skiljer sig allvarligt från protoner, neutroner och elektroner, och denna mörka materia föddes kallt, eller dess kinetiska energi är jämförbar med vilmassa.
Gravitationslinser
Ta en titt på det massiva föremålet. Låt oss säga en kvasar, galax eller galaxkluster. Se hur bakgrundsljus förvrängs av närvaron av ett objekt. Eftersom vi förstår tyngdlagar som styrs av Einsteins allmänna relativitetsteori, kan ljuset böjas oss bestämma hur mycket massa som finns i varje objekt. Genom andra metoder kan vi bestämma mängden massa som finns i vanlig materia: stjärnor, gas, damm, svarta hål, plasma etc. Och återigen finner vi att 85% av materien representeras av mörk materia. Dessutom distribueras det mer diffust, grumligt än vanligt material. Detta bekräftas av svag och stark linsning.
Kosmisk mikrovågsbakgrund
Om du tittar på återstående glöd från Big Bang-strålningen kommer du att upptäcka att den är ungefär enhetlig: 2,725 K i alla riktningar. Men om du tittar närmare kan du upptäcka att små defekter observeras på skalor från tiotals till hundratals mikrokelvin. De berättar för oss några viktiga saker, inklusive energitätheten hos vanlig materia, mörk materia och mörk energi, men viktigast av allt berättar de oss hur homogent universum var när det bara var 0,003% av sin nuvarande ålder. Svaret är att den tätaste regionen bara var 0,01% tätare än den minst täta regionen. Med andra ord, mörk materia började i ett homogent tillstånd och klumpades ihop med tiden.
Att sätta ihop allt kommer vi till slutsatsen att mörk materia ska bete sig som en vätska som fyller universum. Denna vätska har försumbar tryck och viskositet, reagerar på strålningstryck, kolliderar inte med fotoner eller vanligt material, föddes kall och icke-relativistisk och klumpar sig under påverkan av sin egen gravitation över tiden. Det bestämmer bildandet av strukturer i universum på de största skalorna. Det är mycket heterogent och storleken på dess heterogenitet ökar med tiden.
Här är vad vi kan säga om det i stor skala, eftersom de relaterar till observationer. På små skalor kan vi bara anta, inte helt säkra, att mörk materia består av partiklar med egenskaper som gör att den beter sig så i stor skala. Anledningen till att vi antar att detta beror på att universum, så vitt vi vet, består av partiklar i sin kärna, det är allt. Om du är ett ämne, om du har en massa, en kvantanalog, måste du oundvikligen bestå av partiklar på en viss nivå. Men tills vi har hittat den här partikeln har vi ingen rätt att utesluta andra möjligheter: till exempel att detta är ett slags flytande fält som inte består av partiklar, men påverkar rymdtiden på det sätt som partiklarna borde.
Det är därför det är så viktigt att försöka upptäcka mörk materia direkt. Det är omöjligt att bekräfta eller förneka den grundläggande beståndsdelen i mörk materia i teorin, bara i praktiken, backas upp av observationer. Tydligen har mörk materia inget att göra med mörk energi.
Är den gjord av partiklar? Tills vi hittar dem kan vi bara gissa. Universumet manifesterar sig som kvant i naturen när det gäller någon annan form av materia, så det är rimligt att anta att mörk materia skulle vara densamma.
Ilya Khel