Astronomowie mapują ciemną materię pośrednio, poprzez przyciąganie grawitacyjne innych obiektów.
Paul M. Sutter jest astrofizykiem Ohio State University, gospodarzem Zapytaj kosmonautę i Radio kosmicznei autor „Twoje miejsce we wszechświecie.„Sutter przyczynił się do napisania tego artykułu Space.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Współczesne badania całego wszechświata, gałęzi nauki znanej jako kosmologia, zawdzięczają swój obecny status wielu znaczącym postaciom, sięgającym ponad stulecia oddanych, ciężko zdobytych badań.
Niektóre z tych nazw mogą być znane: Albert Einstein, Edwin Hubble, Vera Rubin itp. Ale ostatnio komisja Nagrody Nobla uznała wkład nazwiska, którego możesz nie rozpoznać, Jim Peebles i dał mu połowę nagrody fizyki w 2019 roku, „za wkład w nasze rozumienie ewolucji wszechświata i miejsca Ziemi w kosmosie”.
Wystarczy powiedzieć, że kosmologia nie byłaby tam, gdzie jest dzisiaj, bez wysiłków Jima Peeblesa. Stwierdzenie jednego jest jednym Model Big Bang w prostocie z tyłu koszulki (np. „wszechświat był mniejszy i cieplejszy, a teraz już nie jest”), ale zupełnie inną rzeczą jest przekształcenie go w precyzyjną matematyczną formułę zdolną do przewidywania na podstawie porównania obserwacje. Można śmiało powiedzieć, że Peebles pomógł przekształcić kosmologię z „zgrabnego i ogólnie poprawnego pomysłu” w „dziedzinę prawdziwej nauki”. Przeanalizujmy trzy główne ścieżki, do których doprowadziły nas jego spostrzeżenia:
Kosmiczne tło mikrofalowe
Jeśli wczesny wszechświat był mniejszy niż obecnie, to musiał być również cieplejszy i bardziej gęsty. A kiedy zaakceptujesz tę rzeczywistość, szybko zdajesz sobie sprawę, że w pewnym momencie odległej przeszłości wszechświat musiało być tak gęste i tak gorące, że istniało w zupełnie innym stanie materii.
Ponad 13 miliardów lat temu, kiedy wszechświat miał około jednej milionowej swojej obecnej objętości, wszystkie rzeczy w kosmosie były tak zgniatane, że był to plazma, stan materii, w którym elektrony są odrywane od atomów i swobodnie wędrować na własną rękę. Wtedy wszechświat był dość intensywny.
Ale potem się zestarzał, stał się większy i stał się zimniejszy. W pewnym wieku temperatury i ciśnienia spadły poniżej progu krytycznego, a elektrony mogły przyczepić się do atomów bez natychmiastowego odrzucenia. W mgnieniu oka wszechświat stał się przezroczysty dla promieniowania, a to światło - dosłownie gorące w chwili uwolnienia - utrzymuje się do dnia dzisiejszego, pochłaniając kosmos.
Ale dzisiaj to światło straciło dużo pary i chłodzi zaledwie kilka stopni powyżej absolutnego zera, mocno w paśmie mikrofalowym. To „kosmiczne mikrofalowe tło„został przypadkowo odkryty przez parę fizyków mikrofalowych w 1964 r., ale bez wiedzy grupy teoretyków, w tym Peeblesa, już przewidzieli jego istnienie. Fizycy mikrofalowi wygrali Nobla w 1978 r., ale komitet Nobla nigdy nie jest za późno, aby rozpoznać teoretyści też.
Ciemna materia
W latach 70. astronom Vera Rubin odkryłem coś śmiesznego, co dzieje się z galaktykami: gwiazdy w nich krążące o wiele za szybko. Tak szybko, że galaktyki powinny się rozsunąć miliardy lat temu. Ale tam byli, szczęśliwi jak małże.
O co chodzi? Czy nie zrozumieliśmy czegoś o naturze grawitacji w skalach tak wielkich jak galaktyki? Czy też wszechświat miał dla nas dodatkowy składnik, który był dla nas ukryty aż do obserwacji Rubina?
Niektórzy astronomowie, w tym sama Rubin, uważali, że musimy poprawić prawa fizyki, aby wszystko było w porządku. Ale inni, w tym Peebles, doszli do wniosku, że w galaktyce było coś więcej niż na pierwszy rzut oka. Był jednym z pierwszych zwolenników tego, co teraz nazywamy „zimną ciemną materią” - nowej formy materii, która nie wchodzi w interakcje ze światłem (a zatem nie wchodzi w interakcje z niczym innym poza grawitacją). Teraz to wiemy Ciemna materia nasyca wszechświat, wypłukując normalną materię co najmniej w stosunku 5: 1.
Peebles i współpracownicy wykonali prace przygotowawcze, badając, co ta nowa hipoteza oznaczałaby w odniesieniu do zachowania galaktyki, i zapewnili pomocnym testom dla obserwatorów, aby mogli celować i mierzyć.
Dzisiaj, chociaż wciąż nie do końca rozumiemy ciemną materię - i musimy jeszcze dokładnie określić jej dokładną tożsamość - dowody pochodzą z wielu punktów widzenia, w tym subtelnych odcisków w samym kosmicznym tle mikrofalowym, że ciemna materia jest głównym składnikiem naszego wszechświat.
Struktura kosmiczna
Ale Peebles nie zatrzymał się na pierwszych momentach Wielkiego Wybuchu lub tajemniczych i niewidzialnych elementów naszego wszechświata. Peebles stał się duży - duży.
W otaczającym nas wszechświecie widzimy różnego rodzaju galaktyki we wszelkiego rodzaju fantazyjnych aranżacjach. Niektóre galaktyki są połączone w gigantyczne gromady, podczas gdy inne są samotnikami. Niektóre są ogromne i masywne, a inne są małe i ledwo zauważalne. A kiedy pomniejszamy do największych skal, widzimy ogromne „kosmiczna sieć, „największy wzór występujący w naturze, struktura rozciągająca się od jednego końca widocznego wszechświata do drugiego.
Kosmiczna sieć zbudowana jest z galaktyk i jak sama nazwa wskazuje, wygląda jak kosmiczna pajęczyna.
Jak że zdarzyć?
Peebles i jego przyjaciele doprowadzili do wyjaśnienia początków kosmicznej sieci, odkrywając, że struktury w naszym wszechświecie rosną powoli z czasem, z każdym kolejnym eonem powiększając się z mniejszych na większe.
Naukowcy odkryli, jak szukać śladów ziaren struktury na tle kosmicznego mikrofalówki, widocznych jako niewielkie zmiany temperatury nie większe niż 1 część na 100 000. Te odmiany były lokalizacjami pierwszych basenów o gęstości nieco większej niż średnia, w których więcej materii (szczególnie ciemnej materii!) Przepłynęłoby przez miliony lat.
W końcu te małe samorodki staną się galaktykami, a niektóre galaktyki połączą się, tworząc gromady galaktyk. A ponieważ wszystkie te rzeczy, z których budowano te wielkie konstrukcje, musiały skądś pochodzić, ogromne puste regiony otworzyły się i rozszerzyły. Stały się lukami w kosmicznej sieci, znanej jako puste przestrzenie.
Przez dziesięciolecia Jim Peebles napisał setki artykułów i współpracował z setkami astronomów, astrofizyków, fizyków i kosmologów, a on był krytycznym graczem w malowaniu portretu wszechświata, który teraz rozumiemy.
- Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki: 1901-obecnie
- Dark Matter and Dark Energy: The Mystery Explained (Infographic)
- 11 pytań bez odpowiedzi na temat ciemnej materii
Możesz słuchać podcastu Ask A SpacemaniTunesoraz w Internecie pod adresem http://www.askaspaceman.com. Zadaj własne pytanie na Twitterze za pomocą #AskASpaceman lub obserwując Paula @PaulMattSutter i facebook.com/PaulMattSutter. Śledź nas na Twitterze @Spacedotcom lub Facebook.
