Všechno, co jsme kdy ve vesmíru pozorovali, od hmoty po záření, lze rozložit na nejmenší komponenty. Všechno na tomto světě se skládá z atomů, které se skládají z nukleonů a elektronů, a nukleony se dělí na kvarky a gluony. Světlo se také skládá z částic: fotonů. Dokonce i gravitační vlny jsou teoreticky složeny z gravitonů: částic, které jednoho dne se štěstím najdeme a opravíme. Ale co temná hmota? Nepřímé důkazy o jeho existenci nelze popřít. Ale měl by být také složen z částic?
Jsme zvyklí si myslet, že temná hmota je tvořena částicemi, a beznadějně se je snažíme detekovat. Ale co když se díváme na špatné místo?
Pokud lze temnou energii interpretovat jako energii vlastní samotné struktuře vesmíru, je možné, že „temná hmota“je také vnitřní funkcí samotného prostoru - úzce nebo vzdáleně související s temnou energií? A že místo temné hmoty budou gravitační efekty, které by mohly vysvětlovat naše pozorování, spíše díky „temné hmotě“?
Speciálně pro vás fyzik Ethan Siegel představil naše teoretické přístupy a možné scénáře.
Jedním z nejzajímavějších rysů vesmíru je vzájemný vztah mezi tím, co je ve vesmíru, a tím, jak se rychlost expanze v čase mění. Prostřednictvím mnoha pečlivých měření mnoha různorodých zdrojů - hvězd, galaxií, supernov, kosmického mikrovlnného pozadí a rozsáhlých struktur vesmíru - jsme byli schopni měřit oba a definovat, z čeho je vesmír vyroben. V zásadě existuje mnoho různých představ o tom, z čeho se náš vesmír může skládat, a všechny mají různé účinky na vesmírnou expanzi.
Díky získaným údajům nyní víme, že vesmír je tvořen následujícím:
- 68% temné energie, která zůstává na konstantní hustotě energie, i když se prostor rozšiřuje;
Propagační video:
- 27% temné hmoty, která vykazuje gravitační sílu, je rozmazané, jak se zvyšuje objem a neumožňuje měření pomocí jiné známé síly;
- 4,9% běžné hmoty, která projevuje všechny síly, je rozmazané, jak se objem zvětšuje, uzlí na hrudky a skládá se z částic;
- 0,1% neutrin, která vykazují gravitační a elektroslabé interakce, jsou tvořeny částicemi a klepají dohromady, pouze když zpomalí natolik, aby se chovaly jako hmota, nikoli jako záření;
- 0,01% fotonů, které vykazují gravitační a elektromagnetické vlivy, se chovají jako záření a jsou rozmazané jak s rostoucím objemem, tak s napínáním vlnových délek.
Postupem času se tyto různé komponenty staly relativně více či méně důležitými a toto procento představuje to, z čeho je dnes vesmír vyroben.
Temná energie, jak vyplývá z našich nejlepších měření, má stejné vlastnosti v jakémkoli bodě vesmíru, ve všech směrech vesmíru a ve všech epizodách naší kosmické historie. Jinými slovy, temná energie je homogenní i izotropní: je stejná všude a vždy. Pokud je nám známo, temná energie nepotřebuje částice; snadno to může být vlastnost inherentní struktuře prostoru.
Ale temná hmota je zásadně odlišná.
Aby se vytvořila struktura, kterou vidíme ve vesmíru, zejména ve velkém kosmickém měřítku, musí temná hmota nejen existovat, ale také se spojovat. Nemůže mít stejnou hustotu v celém prostoru; spíše by měla být soustředěna v regionech s vyšší hustotou a měla by být méně hustá nebo vůbec chybí v oblastech s nižší hustotou. Můžeme vlastně říci, kolik z celkové hmoty je v různých oblastech vesmíru, vedeno pozorováním. Tři nejdůležitější jsou:
Mocenské spektrum hmoty
Zmapujte hmotu ve vesmíru, podívejte se, v jakém měřítku odpovídá galaxiím - tedy jaká je pravděpodobnost, že v určité vzdálenosti od galaxie, ve které začínáte, najdete jinou galaxii - a studujte výsledek. Pokud by vesmír sestával z homogenní látky, struktura by byla rozmazaná. Pokud by ve vesmíru existovala temná hmota, která by se neshromáždila dostatečně brzy, struktura v malém měřítku by byla zničena. Energetické spektrum energie nám říká, že přibližně 85% hmoty ve vesmíru je představováno temnou hmotou, která se vážně liší od protonů, neutronů a elektronů, a tato temná hmota se zrodila studená, nebo její kinetická energie je srovnatelná s klidovou hmotou.
Gravitační čočky
Podívejte se na masivní objekt. Řekněme kvasar, galaxii nebo shluky galaxií. Podívejte se, jak je pozadí pozadí zkresleno přítomností objektu. Jelikož chápeme gravitační zákony, které se řídí Einsteinovou teorií obecné relativity, jak ohnuté světlo nám umožňuje určit, kolik hmoty je přítomno v každém objektu. Pomocí dalších metod můžeme určit množství hmoty přítomné v běžné hmotě: hvězdy, plyn, prach, černé díry, plazma atd. Znovu zjistíme, že 85% hmoty je představováno temnou hmotou. Kromě toho je distribuován více rozptýleně, zakaleně než běžná hmota. To potvrzuje slabá a silná čočka.
Kosmické mikrovlnné pozadí
Když se podíváte na zbývající záře záření velkého třesku, zjistíte, že je zhruba stejnoměrná: 2,725 K ve všech směrech. Pokud se ale podíváte blíže, zjistíte, že drobné vady jsou pozorovány na stupnicích od desítek do stovek mikrokelvinů. Řeknou nám několik důležitých věcí, včetně energetických hustot obyčejné hmoty, temné hmoty a temné energie, ale co je nejdůležitější, řeknou nám, jak homogenní byl vesmír, když byl pouze 0,003% svého současného věku. Odpověď je, že nejhustší oblast byla hustší pouze o 0,01% než nejméně hustá oblast. Jinými slovy, temná hmota začala v homogenním stavu a postupem času se shlukovala.
Když to dáme dohromady, dospějeme k závěru, že temná hmota by se měla chovat jako kapalina, která vyplňuje vesmír. Tato tekutina má zanedbatelný tlak a viskozitu, reaguje na radiační tlak, nekoliduje s fotony nebo běžnou hmotou, narodila se chladná a nerelativistická a hromadila se pod vlivem své vlastní gravitace v průběhu času. Určuje formování struktur ve vesmíru v největších měřítcích. Je vysoce heterogenní a velikost jeho heterogenity se časem zvyšuje.
Tady je to, co o tom můžeme říci ve velkém měřítku, protože se týkají pozorování. V malých měřítcích můžeme pouze předpokládat, ne zcela jistě, že temná hmota se skládá z částic s vlastnostmi, díky nimž se chová tímto způsobem ve velkém měřítku. Důvod, proč to předpokládáme, je ten, že vesmír, pokud víme, je tvořen částicemi ve svém jádru, to je vše. Pokud jste látkou, máte hmotu, kvantový analog, musíte se nevyhnutelně skládat z částic na určité úrovni. Dokud však tuto částici nenajdeme, nemáme právo vyloučit další možnosti: například to, že jde o nějaký druh kapalného pole, které se netvoří z částic, ale ovlivňuje časoprostor tak, jak by částice měly.
Proto je tak důležité pokusit se přímo detekovat temnou hmotu. Teoreticky nelze potvrdit nebo vyvrátit základní složku temné hmoty, pouze v praxi, podloženou pozorováním. Zdá se, že temná hmota nemá nic společného s temnou energií.
Je vyroben z částic? Dokud je nenajdeme, můžeme jen hádat. Vesmír se v přírodě projevuje jako kvantum, pokud jde o jakoukoli jinou formu hmoty, takže je rozumné předpokládat, že temná hmota by byla stejná.
Ilya Khel