Alt vi noensinne har observert i universet, fra materie til stråling, kan spaltes til de minste komponentene. Alt i denne verden består av atomer, som består av nukleoner og elektroner, og nukleoner er delt inn i kvarker og gluoner. Lys består også av partikler: fotoner. Selv gravitasjonsbølger består i teorien av gravitoner: partikler som vi en dag, med hell, finner og fikser. Men hva med mørk materie? Indirekte bevis for dets eksistens kan ikke nektes. Men skal den også være sammensatt av partikler?
Vi er vant til å tenke at mørk materie består av partikler, og vi håper håpløst å oppdage dem. Men hva om vi ser på feil sted?
Hvis mørk energi kan tolkes som energi som ligger i selve verdensrommet, kan det være at "mørk materie" også er en intern funksjon av selve rommet - nært eller eksternt knyttet til mørk energi? Og at i stedet for mørk materie, vil gravitasjonseffektene som kan forklare observasjonene våre mer skyldes "mørk masse"?
Vel, spesielt for deg, har fysikeren Ethan Siegel lagt ut våre teoretiske tilnærminger og mulige scenarier.
En av de mest interessante funksjonene i universet er det en-til-en-forholdet mellom det som er i universet og hvordan ekspansjonshastigheten endres over tid. Gjennom mange nøye målinger av mange forskjellige kilder - stjerner, galakser, supernovaer, den kosmiske mikrobølgeovnens bakgrunn og de store strukturene i universet - har vi vært i stand til å måle begge, og definere hva universet er laget av. I utgangspunktet er det mange forskjellige ideer om hva vårt univers kan bestå av, og de har alle forskjellige effekter på kosmisk ekspansjon.
Takket være innhentede data vet vi nå at universet er laget av følgende:
- 68% mørk energi, som forblir på en konstant energitetthet selv når rommet utvides;
Kampanjevideo:
- 27% av mørk materie, som utviser en gravitasjonskraft, er uskarpt når volumet øker og ikke lar seg måle med noen annen kjent kraft;
- 4,9% av vanlig materie, som manifesterer alle krefter, er uskarpt når volumet øker, knuter i klumper og består av partikler;
- 0,1% nøytrinoer, som utviser gravitasjons- og elektrosvak interaksjoner, består av partikler og banker sammen bare når de bremser nok til å oppføre seg som materie i stedet for stråling;
- 0,01% av fotonene, som har gravitasjons- og elektromagnetisk påvirkning, oppfører seg som stråling og er uskarpe både med økende volum og med strekking av bølgelengder.
Over tid blir disse forskjellige komponentene relativt mer eller mindre viktige, og denne prosentandelen representerer det universet er laget av i dag.
Mørk energi, som følger av våre beste målinger, har de samme egenskapene når som helst i rommet, i alle retninger av rommet og i alle episoder av vår kosmiske historie. Med andre ord, mørk energi er både homogen og isotrop: den er den samme overalt og alltid. Så vidt vi kan vite trenger ikke mørk energi partikler; det kan lett være en egenskap som ligger i rommet.
Men mørk materie er fundamentalt annerledes.
For at strukturen som vi ser i universet skal dannes, spesielt i stor kosmisk skala, må mørk materie ikke bare eksistere, men også komme sammen. Den kan ikke ha samme tetthet gjennom hele rommet; snarere bør den konsentreres i områder med høyere tetthet og bør være mindre tett, eller helt fraværende, i regioner med lavere tetthet. Vi kan faktisk fortelle hvor mye av den totale materien som er i forskjellige regioner i rommet, styrt av observasjoner. De tre viktigste er:
Kraftspekter av materie
Kartleg materien i universet, se på hvilke skalaer den tilsvarer galakser - det vil si hvor sannsynlig det er at du finner en annen galakse i en viss avstand fra galaksen du begynner med - og studer resultatet. Hvis universet besto av en homogen substans, ville strukturen bli smurt. Hvis det var mørk materie i universet som ikke samlet seg nok, ville strukturen i liten skala bli ødelagt. Kraftspekteret av energi forteller oss at omtrent 85% av materien i universet er representert av mørk materie, som er alvorlig forskjellig fra protoner, nøytroner og elektroner, og denne mørke materien ble født kald, eller dens kinetiske energi er sammenlignbar med hvilemasse.
Gravitasjonslinse
Ta en titt på den massive gjenstanden. La oss si en kvasar-, galakse- eller galaksehoper. Se hvordan bakgrunnslyset blir forvrengt av et objekt. Siden vi forstår gravitasjonslovene som styres av Einsteins generelle relativitetsteori, lar lyset bøyes oss bestemme hvor mye masse som er tilstede i hvert objekt. Gjennom andre metoder kan vi bestemme mengden masse som er tilstede i vanlig materie: stjerner, gass, støv, svarte hull, plasma osv. Og igjen finner vi at 85% av materien er representert av mørk materie. Videre distribueres den mer diffust, overskyet enn vanlig materie. Dette bekreftes av svak og sterk linsing.
Kosmisk mikrobølgeovn bakgrunn
Hvis du ser på gjenværende glød fra Big Bang-strålingen, vil du oppdage at den er omtrent ensartet: 2,725 K i alle retninger. Men hvis du ser nærmere på, kan du oppdage at små feil blir observert på skalaer fra titalls til hundrevis av mikrokelvin. De forteller oss noen viktige ting, inkludert energitettheter av vanlig materie, mørk materie og mørk energi, men viktigst av alt, de forteller oss hvor homogent universet var da det bare var 0,003% av sin nåværende alder. Svaret er at den tetteste regionen bare var 0,01% tettere enn den minst tette regionen. Med andre ord startet mørk materie i en homogen tilstand og klumpet seg sammen etter hvert som tiden gikk.
Når vi setter alt sammen, kommer vi til den konklusjonen at mørk materie skal oppføre seg som en væske som fyller universet. Denne væsken har ubetydelig trykk og viskositet, reagerer på strålingstrykk, kolliderer ikke med fotoner eller vanlig materie, ble født kald og ikke-relativistisk, og samler seg under påvirkning av sin egen tyngdekraft over tid. Den bestemmer dannelsen av strukturer i universet på de største skalaene. Det er svært heterogent, og størrelsen på dens heterogenitet øker over tid.
Her er hva vi kan si om det i stor skala, da de er relatert til observasjoner. På små skalaer kan vi bare anta, ikke helt sikre, at mørk materie er sammensatt av partikler med egenskaper som gjør at den oppfører seg slik i stor skala. Grunnen til at vi antar at dette er fordi universet, så vidt vi vet, består av partikler i kjernen, det er alt. Hvis du er et stoff, hvis du har en masse, en kvanteanalog, må du uunngåelig bestå av partikler på et visst nivå. Men før vi har funnet denne partikkelen, har vi ingen rett til å utelukke andre muligheter: for eksempel at dette er et slags flytende felt som ikke består av partikler, men som påvirker romtid på den måten partikler skal.
Det er derfor det er så viktig å prøve å oppdage mørk materie direkte. Det er umulig å bekrefte eller benekte den grunnleggende komponenten av mørk materie i teorien, bare i praksis, støttet av observasjoner. Tilsynelatende har mørk materie ingenting å gjøre med mørk energi.
Er den laget av partikler? Inntil vi finner dem, kan vi bare gjette. Universet manifesterer seg som kvante i naturen når det gjelder annen form for materie, så det er rimelig å anta at mørk materie ville være den samme.
Ilya Khel
