Kõik, mida oleme Universumis kunagi täheldanud, alates ainest kuni kiirguseni, saab lagundada kõige väiksemateks komponentideks. Kõik siin maailmas koosneb aatomitest, mis koosnevad nukleonidest ja elektronidest ning nukleonid jagunevad kvarkideks ja gluuoniteks. Valgus koosneb ka osakestest: footonitest. Isegi gravitatsioonilained koosnevad teoreetiliselt gravitoonidest: osakestest, mille me ühel korral õnne korral leiame ja fikseerime. Aga kuidas on tumeainega? Kaudseid tõendeid selle olemasolu kohta ei saa eitada. Kuid kas see peaks koosnema ka osakestest?
Oleme harjunud arvama, et tumeaine koosneb osakestest ja püüame neid lootusetult avastada. Aga mis siis, kui otsime vales kohas?
Kui tumedat energiat saab tõlgendada energiana, mis on omane kogu ruumi kangale, kas võib olla, et “tume aine” on ka ruumi enda sisemine funktsioon - tihedalt või kaugelt seotud tumeda energiaga? Ja et tumeaine asemel on gravitatsiooniefektid, mis võivad meie tähelepanekuid seletada, pigem "tumedast massist"?
Noh, eriti teie jaoks on füüsik Ethan Siegel välja pannud meie teoreetilised lähenemised ja võimalikud stsenaariumid.
Universumi üks huvitavamaid omadusi on üks-ühele suhe universumis leiduva ja selle vahel, kuidas paisumiskiirus ajas muutub. Paljude erinevate allikate - tähtede, galaktikate, supernoovade, kosmilise mikrolaineausta ja universumi suuremahuliste struktuuride - paljude hoolikate mõõtmiste abil suutsime mõõta mõlemat, määrates kindlaks, millest Universum koosneb. Põhimõtteliselt on palju erinevaid ideid selle kohta, millest meie Universum võib koosneda, ja neil kõigil on kosmilisele laienemisele erinev mõju.
Tänu saadud andmetele teame nüüd, et universum koosneb järgmistest:
- 68% pimedast energiast, mis püsib püsiva energiatihedusega ka ruumi laienedes;
Reklaamvideo:
- 27% tumeainest, millel on gravitatsioonijõud, on mahu suurenedes hägune ega lase end mõõta muu teadaoleva jõu abil;
- 4,9% tavalisest ainest, mis avaldab kõiki oma jõude, on mahu suurenemisel hägune, sõlmedeks tükkideks ja koosneb osakestest;
- 0,1% neutriinodest, millel on gravitatsiooniline ja elektrinõrk vastastikmõju, koosnevad osakestest ja koputavad kokku ainult siis, kui nad aeglustuvad piisavalt, et käituda pigem aine kui kiirgusena;
- 0,01% gravitatsioonilist ja elektromagnetilist mõju avaldavatest footonitest käituvad kiirgusena ja hägustuvad nii suureneva mahu kui ka lainepikkuste venitamise korral
Aja jooksul muutuvad need erinevad komponendid suhteliselt enam-vähem oluliseks ja see protsent tähistab seda, millest tänapäeval universum koosneb.
Tume energia, mis tuleneb meie parimatest mõõtmistest, omab samu omadusi ruumi igas punktis, kõikides ruumi suundades ja meie kosmilise ajaloo kõigis episoodides. Teisisõnu, tume energia on nii homogeenne kui ka isotroopne: see on kõikjal ja alati ühesugune. Niipalju kui võime öelda, ei vaja tume energia osakesi; see võib kergesti olla ruumi kangale omane omadus.
Kuid tumeaine on põhimõtteliselt erinev.
Selleks, et tekkiks struktuur, mida näeme Universumis, eriti suures kosmilises mastaabis, peab tume aine mitte ainult olemas olema, vaid ka kokku saama. Sellel ei saa kogu ruumis olla sama tihedus; pigem peaks see olema kontsentreeritud suurema tihedusega piirkondadesse ja madalama tihedusega piirkondadesse või vähem tihedaks või üldse puuduma. Vaatlusest juhindudes saame tegelikult öelda, kui palju kogu ainest on ruumi erinevates piirkondades. Kolm kõige olulisemat on:
Aine võimsusspekter
Kaardimaterjal universumis, vaadake, millises mõõtkavas see vastab galaktikatele - see tähendab, kui tõenäoline on, et leiate teise galaktika teatud kaugusele galaktikast, millest alustate, ja uurige tulemust. Kui universum koosneks homogeensest ainest, oleks see struktuur määrdunud. Kui universumis oleks tumeainet, mis ei koguneks piisavalt vara, hävitataks väikesemahuline struktuur. Energia võimsusspekter ütleb meile, et umbes 85% Universumi ainest esindab tume aine, mis erineb tõsiselt prootonitest, neutronitest ja elektronidest ning see tume aine sündis külmana või on selle kineetiline energia võrreldav puhkemassiga.
Gravitatsiooniline objektiiv
Heitke pilk massiivsele objektile. Oletame, et kvasar, galaktika või galaktikaparved. Vaadake, kuidas objekti olemasolu taustavalgust moonutab. Kuna me mõistame gravitatsiooni seadusi, mida juhib Einsteini üldrelatiivsusteooria teooria, võimaldab valguse painutamine, kuidas meil igas objektis mass on. Muude meetodite abil saame määrata massis oleva aine, mis on tavalises aines: tähed, gaas, tolm, mustad augud, plasma jne. Ja jällegi leiame, et 85% ainest esindab tumeaine. Pealegi on see levinud hajusamalt, hägusemalt kui tavaline aine. Seda kinnitab nõrk ja tugev läätsed.
Kosmiline mikrolaineahi
Kui vaatate Suure Paugu kiirguse järelejäänud kuma, leiate, et see on ligikaudu ühtlane: 2,725 K igas suunas. Kuid lähemalt uurides võite leida, et kaaludes alates kümnetest kuni sadadesse mikrokelviinidesse täheldatakse pisikesi defekte. Nad ütlevad meile mõned olulised asjad, sealhulgas tavalise aine, tumeaine ja tumeda energia energiatihedus, kuid mis kõige tähtsam, nad ütlevad meile, kui homogeenne oli universum, kui see oli ainult 0,003% praegusest vanusest. Vastus on, et kõige tihedam piirkond oli kõige vähem tihedast piirkonnast vaid 0,01% tihedam. Teisisõnu, tumeaine algas homogeenses olekus ja kogunes aja möödudes kokku.
Selle kõik kokku pannes jõuame järeldusele, et tume aine peaks käituma nagu vedelik, mis täidab universumit. Sellel vedelikul on tühine rõhk ja viskoossus, see reageerib kiirgusrõhule, ei põrku kokku footonite ega tavalise ainega, sündis külmana ja mitterativistlikuna ning kobaras aja jooksul oma raskusjõu mõjul. See määrab universumis struktuuride moodustumise kõige suuremal skaalal. See on väga heterogeenne ja selle heterogeensuse suurus suureneb aja jooksul.
Siit saame öelda selle kohta suures ulatuses, kuna need on seotud vaatlustega. Väikestes mõõtkavades võime ainult eeldada, et pole täiesti kindel, et tume aine koosneb osakestest, millel on omadused, mis panevad teda selliselt käituma suures ulatuses. Põhjus, miks me seda eeldame, on see, et universum, niipalju kui teada, koosneb selle tuumas olevatest osakestest, see on ka kõik. Kui olete aine, kui teil on mass, kvantanaloog, siis peate paratamatult koosnema teatud taseme osakestest. Kuid seni, kuni oleme selle osakese leidnud, pole meil õigust muid võimalusi välistada: näiteks see, et see on mingi vedel väli, mis ei koosne osakestest, vaid mõjutab aegruumi nii, nagu osakesed peaksid.
Seetõttu on nii oluline proovida tumeainet otseselt tuvastada. Teoorias on võimatu tumeaine põhikomponenti kinnitada ega ümber lükata, vaid praktikas, mida toetavad vaatlused. Ilmselt pole tumeainel midagi pistmist tumeda energiaga.
Kas see on valmistatud osakestest? Kuni me neid ei leia, võime ainult oletada. Universum avaldub looduses kvantmaterjalina, kui tegemist on mis tahes muu ainevormiga, seega on mõistlik eeldada, et tumeaine oleks sama.
Ilja Khel
