Хотя большая часть темной материи в галактике существует в огромном гало, поглощающем нас, каждая отдельная частица темной материи делает эллиптическую орбиту под действием силы тяжести. Если темная материя является собственной античастицей, и мы узнаем, как ее использовать, она может быть основным источником свободной энергии. (ESO / L. Calçada)

Спросите Итана: неужели темная материя вообще не может быть частицей?

Мы всегда предполагаем, что темная материя основана на частицах, и нам просто нужно найти, что это за частица. Но что, если это не так?

Все, что мы когда-либо обнаруживали во Вселенной, от материи до радиации, можно разбить на ее самые маленькие составляющие. Все в этом мире состоит из атомов, которые состоят из ядер и электронов, а сами ядра состоят из кварков и глюонов. Сам свет состоит из частиц: фотонов. Теоретически даже гравитационные волны состоят из гравитонов: частицы, которые мы когда-нибудь сможем создать и обнаружить. Но как насчет темной материи? Косвенное свидетельство его существования огромно и подавляюще, но должно ли оно быть частицей? Вот что хочет знать наш сторонник Патреона Даррен Редферн, спрашивая:

Если темная энергия может быть истолкована как энергия, присущая ткани самого пространства, возможно ли также, что то, что мы воспринимаем как «темная материя», является также неотъемлемой функцией самого пространства - тесно или слабо связанной с темной энергией? То есть, вместо того, чтобы темная материя была частицей, могла ли она пронизывать все пространство (гомогенными или гетерогенными) гравитационными эффектами, которые могли бы объяснить наши наблюдения - скорее «темной массой»?

Давайте посмотрим на доказательства и посмотрим, что они говорят нам о возможностях.

Расширение (или сжатие) пространства является необходимым следствием во Вселенной, содержащей массы. Но скорость расширения и то, как он ведет себя во времени, количественно зависит от того, что находится в вашей вселенной. (Научная группа НАСА / WMAP)

Одна из самых замечательных особенностей Вселенной - это взаимно-однозначное соотношение между тем, что находится во Вселенной, и тем, как скорость расширения изменяется со временем. Благодаря целому ряду тщательных измерений многих разнородных источников - включая звезды, галактики, сверхновые звезды, космический микроволновый фон и крупномасштабную структуру Вселенной - мы смогли измерить оба из них, определяя, что сделано нашей Вселенной из. В принципе, мы можем представить себе множество различных вещей, из которых могла бы состоять наша Вселенная, и все они по-разному влияют на космическое расширение.

Различные компоненты и вкладчики в плотность энергии Вселенной, и когда они могут доминировать. Если бы космические струны или доменные стенки существовали в сколько-нибудь заметном количестве, они бы значительно способствовали расширению Вселенной. (Э. Зигель / За пределами галактики)

Благодаря полному набору наших данных мы теперь знаем, что мы сделаны из:

  • 68% темной энергии, которая остается с постоянной плотностью энергии, даже когда само пространство расширяется,
  • 27% темной материи, которая создает гравитационную силу, растворяется по мере увеличения объема и практически не взаимодействует с какой-либо другой известной силой,
  • 4,9% нормального вещества, которое прилагает все силы, растворяется при увеличении объема, слипается и состоит из частиц,
  • 0,1% нейтрино, которые создают гравитационную и слабую силу, состоят из частиц и собираются вместе только тогда, когда они замедляются настолько, что ведут себя как материя, а не радиация,
  • и 0,01% фотонов, которые создают гравитационные и электромагнитные силы, действуют как излучение и разбавляются по мере увеличения объема и увеличения длины волны.

Со временем эти различные компоненты становятся относительно более или менее важными, где эти проценты представляют собой то, из чего состоит Вселенная сегодня.

График видимой скорости расширения (ось Y) в зависимости от расстояния (ось X) согласуется со Вселенной, которая расширялась быстрее в прошлом, но все еще расширяется сегодня. Это современная версия, простирающаяся в тысячи раз дальше, чем оригинальная работа Хаббла. Различные кривые представляют вселенные, составленные из разных составляющих компонентов. (Нед Райт, основываясь на последних данных Betoule et al. (2014))

Темная энергия, согласно лучшим из наших измерений, по-видимому, имеет одинаковые значения и свойства в любом месте в космосе, во всех направлениях на небе и во все моменты нашей космической истории. Другими словами, темная энергия выглядит как однородной, так и изотропной: она одинакова везде и всегда. Как нам известно, темной энергии не обязательно иметь частицу; оно может легко быть свойством ткани самого пространства.

Но темная материя принципиально иная.

В самых больших масштабах способ, которым галактики группируются вместе (синий и фиолетовый цвета), не может быть сопоставлен с помощью симуляций (красный), если только не включена темная материя. (Джерард Лемсон и Консорциум Девы, с данными SDSS, 2dFGRS и Моделирования тысячелетия)

Чтобы сформировать структуру, которую мы видим во Вселенной, особенно в больших космических масштабах, темная материя должна не только существовать, но и объединяться. Он не может иметь одинаковую плотность в любом месте пространства; скорее, он должен быть сконцентрирован в областях с повышенной плотностью и должен быть плотностью ниже средней или даже полностью отсутствовать в областях с повышенной плотностью. Фактически мы можем сказать, сколько всего вещества находится в различных областях пространства, по нескольким различным наборам наблюдений. Ниже приведены три из наиболее важных.

Крупномасштабные данные кластеризации (точки) и предсказания Вселенной с 85% темной материи и 15% нормальной материи (сплошная линия) невероятно хорошо совпадают. Отсутствие отсечки указывает на температуру (и холод) темной материи; величина покачиваний указывает на отношение нормальной материи к темной материи. (Л. Андерсон и др. (2012), для Sloan Digital Sky Survey)

1.) Спектр материальной мощности: составьте карту материи во Вселенной, посмотрите, в каких масштабах коррелируют галактики - мера вероятности нахождения другой галактики на некотором расстоянии от той, с которой вы начинаете, - и нанесите ее на карту. Если бы у вас была Вселенная, состоящая из однородного вещества, структура, которую вы бы увидели, была бы размазана. Если бы у вас была Вселенная, в которой была темная материя, которая не сгущалась на ранней стадии, структура в малых масштабах была бы разрушена. Этот энергетический спектр материи учит нас, что примерно 85% вещества во Вселенной - это темная материя, совершенно отличная от протонов, нейтронов и электронов, и эта темная материя родилась холодной или с температурой, или с кинетической энергией, которая была мала по сравнению с его масса покоя.

Распределение массы кластера Abell 370., реконструированного с помощью гравитационного линзирования, показывает два больших диффузных гало массы, соответствующих темной материи с двумя сливающимися кластерами, чтобы создать то, что мы видим здесь. Вокруг и через каждую галактику, скопления и огромные скопления нормальной материи в 5 раз больше темной материи. (НАСА, ЕКА, Д. Харви (Государственная политехническая школа Лозанны, Швейцария), Р. Масси (Университет Дарема, Великобритания), команда ERO Hubble SM4 и ST-ECF)

2.) Гравитационное лицензирование: взгляните на массивный объект, такой как квазар, галактика или скопление галактик, и посмотрите, как фоновый свет искажается его присутствием. Поскольку мы понимаем законы гравитации, управляемые общей теорией Эйнштейна, то, как изгибается свет, позволяет нам определить, сколько массы присутствует в каждом объекте. С помощью множества других методов мы можем определить количество массы, которая присутствует в нормальной материи: звезды, газ, пыль, черные дыры, плазма и т. Д. Опять же, мы находим, что в среднем 85% присутствующего вещества должно темная материя, и более того, она распределена в более диффузной облачной конфигурации, чем обычная материя. И слабая линза, и сильная линза подтверждают это.

Структура пиков CMB меняется в зависимости от того, что находится во Вселенной. (W. Hu и S. Dodelson, Ann.Rev.Astron.Astrophys.40: 171–216,2002)

3.) Космический микроволновый фон: если вы посмотрите на остаточное свечение излучения Большого взрыва, вы обнаружите, что оно примерно одинаково: 2,725 К во всех направлениях. Но если вы посмотрите более детально, вы обнаружите небольшие дефекты в масштабах от десятков до сотен мкК во всех видах угловых масштабов. Эти колебания говорят нам о многих важных вещах, в том числе о плотности нормальной материи / темной материи / темной энергии, но самое большое, что они говорят нам, это то, насколько однородной была Вселенная, когда она составляла всего 0,003% от ее нынешнего возраста, и ответ таков: что самая плотная область была только приблизительно на 0,01% более плотной, чем наименее плотная область. Другими словами, темная материя начала равномерно, а затем со временем слиплась!

Детальный взгляд на Вселенную показывает, что она сделана из материи, а не из антивещества, что требуется темная материя и темная энергия, и что мы не знаем происхождение какой-либо из этих загадок. Однако колебания в CMB, формирование и корреляции между крупномасштабной структурой и современными наблюдениями гравитационного линзирования указывают на одну и ту же картину (Крис Блейк и Сэм Мурфилд)

Собрав все это вместе, мы приходим к выводу, что темная материя должна вести себя как жидкость, которая пронизывает Вселенную. Эта жидкость имеет пренебрежимо малое давление и вязкость, она реагирует на радиационное давление, она не сталкивается с фотонами или нормальной материей, она родилась холодной и нерелятивистской, и со временем она слипается под действием собственной силы тяжести , Это управляет формированием структуры во Вселенной в самых больших масштабах. Он сильно неоднороден, причем величина этих неоднородностей растет со временем.

Вот что мы можем сказать об этом в больших масштабах, где это связано с наблюдением. В небольших масштабах мы подозреваем, но не уверены, что это потому, что темная материя состоит из частиц, обладающих свойствами, которые заставляют ее вести себя таким образом в больших масштабах. Мы предполагаем, что это потому, что, насколько нам известно, Вселенная просто состоит из частиц, конец истории! Если вы материальны, и если у вас есть масса, у вас есть квантовый аналог, а это означает неделимую частицу на каком-то уровне. Но пока мы непосредственно не обнаружим эту частицу, нет никакой возможности исключить другую возможность: что это некое жидкое поле, которое не основано на частицах, но воздействует на пространство-время так же, как совокупный набор частиц.

Ограничения на темную материю WIMP довольно серьезны, экспериментально. Самая низкая кривая исключает сечения WIMP (слабо взаимодействующих массивных частиц) и массы темной материи для всего, что находится над ней (Xenon-100 Collaboration (2012), через http://arxiv.org/abs/1207.5988).

Вот почему попытки прямого обнаружения так важны! Как сам теоретик, который написал докторскую диссертацию. Тезис о крупномасштабном формировании структуры, я хорошо знаю, что то, что мы можем сделать, невероятно эффективно с точки зрения прогнозирования наблюдаемых, особенно в больших масштабах. Но теоретически мы не можем подтвердить, является ли темная материя частицей или нет. Единственный способ сделать это через прямое обнаружение; без этого у вас могут быть серьезные косвенные доказательства, но они не будут пуленепробиваемыми. Похоже, что она никак не связана с темной энергией, поскольку темная энергия действительно однородна по всему пространству, и предсказания в больших масштабах говорят нам, как она взаимодействует гравитационно и через другие силы довольно точно.

Потоки темной материи управляют скоплением галактик и образованием крупномасштабной структуры, как показано в этом моделировании KIPAC / Stanford. (О. Хан и Т. Абель (симуляция); Ральф Келер (визуализация))

Но это частица? Пока мы не обнаружим, мы можем только принять ответ. Вселенная показала себя квантовой по природе в том, что касается любой другой формы материи, поэтому разумно предположить, что темная материя также будет. Имейте в виду, однако, что рассуждение таким образом имеет свои ограничения. В конце концов, все следует тому же правилу, что и все остальные, но только до тех пор, пока они больше не будут! Мы на неизведанной территории с темной материей, и важно быть смиренным перед великими неизвестными в этой вселенной.

Направляйте свои вопросы Этану на старт-свитханг на gmail dot com!

Starts With A Bang теперь на Forbes и переиздан на Medium благодаря нашим сторонникам Patreon. Итан является автором двух книг «За галактикой» и «Трекнология: Наука звездного пути от трикодеров до Варп Драйв».