Jednym ze sposobów pomiaru historii ekspansji Wszechświata jest cofnięcie się do pierwszego światła, jakie możemy zobaczyć, gdy Wszechświat miał zaledwie 380 000 lat. Inne sposoby nie idą wstecz aż tak daleko, ale mają również mniejszy potencjał do zarażenia się systematycznymi błędami. (Europejskie Obserwatorium Południowe)

Czego astronomowie życzą każdemu wiedzieć o ciemnej materii i ciemnej energii

Wśród ogółu społeczeństwa ludzie porównują to do eteru, flogistonu lub epicyklów. Jednak prawie wszyscy astronomowie są pewni: istnieje ciemna materia i ciemna energia. Dlatego.

Jeśli przejdziesz przez to, co często jest zgłaszane w wiadomościach, będziesz miał wrażenie, że ciemna materia i ciemna energia to domy z kartami, które tylko czekają na wysadzenie w powietrze. Teoretycy nieustannie badają inne opcje; poszczególne galaktyki i ich satelity prawdopodobnie sprzyjają jakiejś modyfikacji grawitacji ciemnej materii; istnieją duże kontrowersje dotyczące tego, jak szybko wszechświat się rozszerza, i wnioski, które wyciągnęliśmy z danych supernowych, mogą wymagać zmiany. Biorąc pod uwagę, że w przeszłości błędnie zakładaliśmy, zakładając, że niewidzialny Wszechświat zawiera substancje, których po prostu nie było, od eteru do flogistonu, czyż nie jest większym skokiem wiary założyć, że 95% Wszechświat to jakaś niewidzialna, niewidzialna forma energii, niż przypuszczenie, że istnieje tylko wada w grawitacji?

Odpowiedź brzmi: absolutnie nie, zdaniem prawie wszystkich astronomów, astrofizyków i kosmologów badających wszechświat. Dlatego.

Rozszerzanie się (lub kurczenie) przestrzeni jest konieczną konsekwencją we Wszechświecie zawierającym masy. Ale tempo ekspansji i jego zachowanie w czasie zależy ilościowo od tego, co jest we Wszechświecie. (Zespół naukowy NASA / WMAP)

Kosmologia jest nauką o tym, czym jest Wszechświat, jak do tego doszło, jaki jest jego los i z czego się składa. Początkowo pytania te dotyczyły poetów, filozofów i teologów, ale XX wiek mocno przyniósł te pytania do sfery nauki. Kiedy Einstein przedstawił swoją teorię ogólnej teorii względności, jedną z pierwszych rzeczy, które się urzeczywistniły, jest wypełnienie przestrzeni, która składa się na wszechświat dowolną formą materii lub energii, natychmiast staje się niestabilna. Jeśli przestrzeń zawiera materię i energię, może się rozszerzać lub kurczyć, ale wszystkie rozwiązania statyczne są niestabilne. Gdy zmierzyliśmy ekspansję Wszechświata Hubble'a i odkryliśmy pozostałą poświatę z Wielkiego Wybuchu w postaci Kosmicznego Mikrofalowego Tła, kosmologia stała się zadaniem pomiaru dwóch liczb: samego tempa ekspansji i tego, jak ta szybkość zmieniała się w czasie. Zmierz je, a ogólna teoria względności powie ci wszystko, co możesz chcieć wiedzieć o Wszechświecie.

Wykres pozornej szybkości ekspansji (oś y) w funkcji odległości (oś x) jest zgodny z Wszechświatem, który ekspandował szybciej w przeszłości, ale nadal się rozwija. Jest to nowoczesna wersja, sięgająca tysięcy razy dalej niż oryginalne dzieło Hubble'a. Zwróć uwagę na fakt, że punkty nie tworzą linii prostej, co wskazuje na zmianę szybkości ekspansji w czasie. (Ned Wright, na podstawie najnowszych danych Betoule i in. (2014))

Te dwie liczby, znane jako H_0 i q_0, nazywane są odpowiednio parametrem Hubble'a i parametrem opóźnienia. Jeśli weźmiesz Wszechświat pełen rzeczy i zaczniesz rozszerzać się w określonym tempie, w pełni spodziewałbyś się, że będą miały ze sobą dwa główne zjawiska fizyczne - przyciąganie grawitacyjne i początkową ekspansję - walczące ze sobą. W zależności od tego, jak wszystko się potoczyło, Wszechświat powinien podążać jedną z trzech ścieżek:

  1. Wszechświat rozszerza się na tyle szybko, że nawet przy całej materii i energii we Wszechświecie może spowolnić ekspansję, ale nigdy jej nie odwrócić. W tym przypadku Wszechświat rozszerza się na zawsze.
  2. Wszechświat zaczyna się szybko rozszerzać, ale jest za dużo materii i energii. Ekspansja zwalnia, zatrzymuje się, cofa, a Wszechświat w końcu przypomina.
  3. A może Wszechświat - jak trzecia miska owsianki w Goldilocks - jest w sam raz. Być może szybkość ekspansji i ilość rzeczy we Wszechświecie są idealnie zrównoważone, a szybkość ekspansji jest asymptotyczna do zera.

Ten ostatni przypadek może wystąpić tylko wtedy, gdy gęstość energii Wszechświata jest równa pewnej idealnie zrównoważonej wartości: gęstości krytycznej.

Oczekiwane losy Wszechświata (trzy najlepsze ilustracje) wszystkie odpowiadają Wszechświatowi, w którym materia i energia walczą z początkowym tempem ekspansji. W naszym obserwowanym Wszechświecie kosmiczne przyspieszenie jest powodowane przez pewien rodzaj ciemnej energii, która do tej pory nie była wyjaśniona. (E. Siegel / Beyond the Galaxy)

To jest naprawdę piękny układ, ponieważ równania, które wyprowadzasz z ogólnej teorii względności, są tutaj całkowicie deterministyczne. Zmierz, jak wszechświat rozszerza się dzisiaj i jak rozwijał się w przeszłości, i wiesz dokładnie, z czego wszechświat musi być zbudowany. Możesz dowiedzieć się, ile lat ma Wszechświat, ile materii i promieniowania (i krzywizny oraz wszelkich innych rzeczy) musi w nim być, i wiele innych interesujących informacji. Gdybyśmy mogli dokładnie poznać te dwie liczby, H_0 i q_0, natychmiast znalibyśmy zarówno wiek Wszechświata, jak i to, z czego zbudowany jest Wszechświat.

Trzy różne rodzaje pomiarów, odległe gwiazdy i galaktyki, struktura Wszechświata na dużą skalę oraz fluktuacje w CMB, mówią nam o historii ekspansji Wszechświata. (ESA / Hubble i NASA, Sloan Digital Sky Survey, ESA i Planck Collaboration)

Kiedy zaczęliśmy tą ścieżkę, mieliśmy pewne uprzedzenia. Ze względów estetycznych lub matematycznych niektórzy woleli wycofujący się Wszechświat, podczas gdy inni woleli wszechświat krytyczny, a jeszcze inni woleli otwarty. W rzeczywistości wszystko, co możesz zrobić, jeśli chcesz zrozumieć Wszechświat, to zbadać go i zapytać, z czego jest zrobiony. Nasze prawa fizyki mówią nam, jakie reguły rządzi Wszechświatem; reszta zależy od pomiaru. Przez długi czas pomiary stałej Hubble'a były bardzo niepewne, ale jedno stało się jasne: jeśli Wszechświat byłby wykonany w 100% z normalnej materii, Wszechświat okazałby się bardzo młody.

Mierzenie wstecz w czasie i odległości (na lewo od „dzisiaj”) może informować, jak Wszechświat będzie ewoluował i przyspieszał / zwalniał w dalekiej przyszłości. Możemy dowiedzieć się, że przyspieszenie włączyło się około 7,8 miliarda lat temu przy obecnych danych, ale także dowiedzieć się, że modele Wszechświata bez ciemnej energii mają albo stałe Hubble'a, które są zbyt niskie, albo wiek, który jest zbyt młody, aby dorównać obserwacjom. (Saul Perlmutter z Berkeley)

Gdyby szybkość ekspansji, H_0, była szybka, jak 100 km / s / Mpc, Wszechświat miałby zaledwie 6,5 miliarda lat. Biorąc pod uwagę, że wiek gwiazd w gromadach kulistych - co prawda niektóre z najstarszych gwiazd we Wszechświecie - miał co najmniej 12 miliardów lat (i wiele cytowanych liczb bliżej 14–16 miliardów), Wszechświat nie mógł być tak młody. Podczas gdy niektóre pomiary H_0 były znacznie niższe, np. 55 km / s / Mpc, to wciąż dawało Wszechświatowi, który miał 11 i zmienił miliard: wciąż był młodszy niż gwiazdy, które w nim znaleźliśmy. Co więcej, ponieważ coraz więcej pomiarów dokonywano w latach 70., 80. i później, stało się jasne, że nienormalnie niska stała Hubble'a w latach 40. i 50. po prostu nie zgadzała się z danymi.

Gromada kulista Messier 75, wykazująca ogromną koncentrację centralną, ma ponad 13 miliardów lat. Wiele gromad kulistych ma gwiezdne populacje przekraczające 12, a nawet 13 miliardów lat, co stanowi wyzwanie dla modeli wszechświata, które mają jedynie materię. (HST / Fabian RRRR, z danymi z archiwum Hubble'a)

Jednocześnie zaczynaliśmy z dużą precyzją mierzyć, jak obfite są lekkie elementy we Wszechświecie. Nukleosynteza Wielkiego Wybuchu to nauka o tym, ile względnego wodoru, helu-4, helu-3, deuteru i litu-7 należy pozostawić z Wielkiego Wybuchu. Jedynym parametrem, którego nie można wyprowadzić ze stałych fizycznych w tych obliczeniach, jest stosunek barionu do fotonu, który mówi o gęstości normalnej materii we Wszechświecie. (Jest to względne w stosunku do gęstości liczbowej fotonów, ale można to łatwo zmierzyć na podstawie tła kosmicznej mikrofalówki). Chociaż w tym czasie była pewna niepewność, bardzo szybko stało się jasne, że 100% materii nie może być „normalne, ”, Ale tylko około 10%. Nie ma mowy, żeby prawa fizyki mogły być poprawne i dać Wszechświat ze 100% normalną materią.

Przewidywane obfitości helu-4, deuteru, helu-3 i litu-7, zgodnie z przewidywaniami nukleosyntezy Big Bang, z obserwacjami pokazanymi w czerwonych okręgach. Odpowiada to Wszechświatowi, w którym gęstość barionowa (normalna gęstość materii) wynosi tylko 5% wartości krytycznej. (Zespół naukowy NASA / WMAP)

Na początku lat 90. zaczęło się to zbierać z mnóstwem obserwacji, które wskazywały na fragmenty tej kosmicznej układanki:

  • Najstarsze gwiazdy musiały mieć co najmniej 13 miliardów lat,
  • Gdyby Wszechświat był wykonany w 100% z materii, wartość H_0 nie mogłaby być większa niż 50 km / s / Mpc, aby uzyskać Wszechświat tak stary,
  • Galaktyki i gromady galaktyk wykazały mocne dowody na to, że było dużo ciemnej materii,
  • Obserwacje rentgenowskie zgrupowań wykazały, że tylko 10–20% materii może być materią normalną,
  • Wielkoskalowa struktura Wszechświata (korelacje między galaktykami w setkach milionów lat świetlnych) pokazała, że ​​potrzebujesz więcej masy niż normalna materia mogłaby zapewnić,
  • ale głębokie źródło ma znaczenie, które zależy od objętości Wszechświata i tego, jak zmienia się on w czasie, pokazując, że 100% materii było zdecydowanie za dużo,
  • Soczewkowanie grawitacyjne zaczynało „ważyć” gromady galaktyk i odkryło, że tylko około 30% gęstości krytycznej było materią całkowitą,
  • a nukleosynteza Wielkiego Wybuchu naprawdę zdawała się sprzyjać Wszechświatowi, w którym zaledwie 1/6 gęstości materii była materią normalną.

Więc jakie było rozwiązanie?

Rozkład masy gromady Abell 370. zrekonstruowanej przez soczewkowanie grawitacyjne, pokazuje dwa duże, rozproszone halo masy, zgodne z ciemną materią z dwoma łączącymi się gromadami, aby stworzyć to, co tutaj widzimy. Wokół i przez każdą galaktykę, gromadę i ogromną kolekcję normalnej materii istnieje 5 razy więcej ciemnej materii. To wciąż nie wystarcza, aby samodzielnie osiągnąć krytyczną gęstość lub gdziekolwiek w jej pobliżu. (NASA, ESA, D. Harvey (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Szwajcaria), R. Massey (Durham University, Wielka Brytania), zespół Hubble SM4 ERO i ST-ECF)

Do tej pory większość astronomów zaakceptowała ciemną materię, ale nawet Wszechświat zbudowany wyłącznie z ciemnej i normalnej materii nadal stanowiłby problem. Po prostu nie był wystarczająco stary dla gwiazd w nim zawartych! Dwa dowody zebrane pod koniec lat 90. dały nam drogę do przodu. Jednym z nich było kosmiczne tło mikrofalowe, które pokazało nam, że Wszechświat był przestrzennie płaski, a zatem całkowita ilość rzeczy w nim dodanych wyniosła 100%. Jednak to nie wszystko może być materią, nawet mieszaniną normalnej i ciemnej materii! Drugim dowodem były dane supernowych, które pokazały, że we Wszechświecie był składnik powodujący jego przyspieszenie: to musi być ciemna energia. Patrząc na wiele linii dowodów nawet dzisiaj, wszystkie wskazują na ten dokładny obraz.

Ograniczenia ciemnej energii z trzech niezależnych źródeł: supernowych, CMB i BAO (które są cechą wielkoskalowej struktury Wszechświata). Zauważ, że nawet bez supernowych potrzebowalibyśmy ciemnej energii i że tylko 1/6 znalezionej materii może być normalną materią; reszta musi być ciemną materią. (Supernova Cosmology Project, Amanullah i in., Ap.J. (2010))

Więc albo macie te wszystkie niezależne linie dowodów, wszystkie wskazujące na ten sam obraz: Ogólna teoria względności jest naszą teorią grawitacji, a nasz Wszechświat ma 13,8 miliarda lat, z ~ 70% ciemną energią, ~ 30% całkowitej materii, gdzie około 5% to normalna materia, a 25% to ciemna materia. Istnieją fotony i neutrina, które były ważne w przeszłości, ale dziś stanowią zaledwie ułamek procenta. Gdy pojawiły się jeszcze większe dowody - niewielkie fluktuacje kosmicznego mikrofalowego tła, oscylacje barionowe w wielkoskalowej strukturze Wszechświata, kwazary o wysokim przesunięciu ku czerwieni i rozbłyski gamma - obraz ten pozostaje niezmieniony. Wszystko, co obserwujemy na wszystkich skalach, wskazuje na to.

Im dalej patrzymy, tym bardziej zbliżamy się do Wielkiego Wybuchu. Najnowszy rekordzista kwazarów pochodzi z czasów, gdy Wszechświat miał zaledwie 690 milionów lat. Te bardzo odległe sondy kosmologiczne pokazują nam również Wszechświat, który zawiera ciemną materię i ciemną energię. (Jinyi Yang, University of Arizona; Reidar Hahn, Fermilab; M. Newhouse NOAO / AURA / NSF)

Nie zawsze było oczywiste, że to będzie rozwiązanie, ale to jedno rozwiązanie działa dosłownie dla wszystkich obserwacji. Kiedy ktoś wysuwa hipotezę, że „ciemna materia i / lub ciemna energia nie istnieje”, spoczywa na nich odpowiedź na ukryte pytanie: „dobrze, to co zastępuje ogólną teorię względności jako twoją teorię grawitacji wyjaśniającą cały wszechświat ? Ponieważ astronomia fal grawitacyjnych jeszcze bardziej spektakularnie potwierdziła największą teorię Einsteina, nawet wiele marginalnych alternatyw dla ogólnej teorii względności odeszło. W obecnym stanie nie istnieją teorie, które skutecznie usuwałyby ciemną materię i ciemną energię i wciąż wyjaśniają wszystko, co widzimy. Do tego czasu nie ma prawdziwych alternatyw dla współczesnego zdjęcia, które zasługują na poważne potraktowanie.

Szczegółowe spojrzenie na Wszechświat ujawnia, że ​​jest ono zbudowane z materii, a nie antymaterii, że ciemna materia i ciemna energia są wymagane i że nie znamy źródła żadnej z tych tajemnic. Jednak fluktuacje w CMB, powstawanie i korelacje między strukturą na dużą skalę oraz współczesne obserwacje soczewkowania grawitacyjnego, między innymi, wszystkie wskazują na ten sam obraz (Chris Blake i Sam Moorfield)

Może nie wydaje ci się właściwe, że 95% Wszechświata byłoby ciemne. Może się nie wydawać, że jest to rozsądna możliwość, gdy wszystko, co musisz zrobić, to w zasadzie zastąpić swoje podstawowe prawa nowymi. Ale dopóki te prawa nie zostaną znalezione, a nawet nie zostanie wykazane, że mogłyby istnieć matematycznie, absolutnie musisz iść z opisem Wszechświata, na który wskazują wszystkie dowody. Wszystko inne jest po prostu nienaukowym wnioskiem.

Gra Starts With A Bang jest już dostępna na Forbes, a dzięki naszym zwolennikom Patreon została ponownie opublikowana na poziomie Medium. Ethan jest autorem dwóch książek, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek, od Tricorderów po Warp Drive.