Alt, hvad vi nogensinde har observeret i universet, fra stof til stråling, kan nedbrydes til de mindste komponenter. Alt i denne verden består af atomer, der består af nukleoner og elektroner, og nukleoner er opdelt i kvarker og gluoner. Lys består også af partikler: fotoner. Selv gravitationsbølger består i teorien af tyngdekrafter: partikler, som vi en dag, hvis vi er heldige, finder og retter. Men hvad med mørkt stof? Indirekte bevis for dets eksistens kan ikke nægtes. Men skal det også være sammensat af partikler?
Vi er vant til at tænke, at mørkt stof består af partikler, og vi håber håbløst at opdage dem. Men hvad hvis vi ser det forkerte sted?
Hvis mørk energi kan fortolkes som energi, der ligger i selve rummets stof, kan det være, at "mørkt stof" også er en intern funktion i selve rummet - tæt eller eksternt relateret til mørk energi? Og at de gravitationseffekter, der kan forklare vores observationer, i stedet for mørkt stof mere skyldes "mørk masse"?
Især for dig har fysikeren Ethan Siegel lagt vores teoretiske tilgange og mulige scenarier.
Et af de mest interessante træk ved universet er det en-til-en-forhold mellem hvad der er i universet og hvordan ekspansionstakten ændres over tid. Gennem mange omhyggelige målinger af mange forskellige kilder - stjerner, galakser, supernovaer, den kosmiske mikrobølgebaggrund og universets store strukturer - har vi været i stand til at måle begge dele og definere, hvad universet er lavet af. Dybest set er der mange forskellige ideer om, hvad vores univers kan bestå af, og de har alle forskellige effekter på kosmisk ekspansion.
Takket være de opnåede data ved vi nu, at universet er lavet af følgende:
- 68% mørk energi, som forbliver ved en konstant energitæthed, selv når rummet udvides
Salgsfremmende video:
- 27% af mørkt stof, der udviser en tyngdekraft, er sløret, når lydstyrken øges og ikke tillader sig at måles med nogen anden kendt kraft;
- 4,9% af almindeligt stof, der manifesterer alle sine kræfter, er sløret, når volumenet stiger, knytter sig til klumper og består af partikler;
- 0,1% neutrinoer, der udviser gravitations- og elektrosvækkende interaktioner, består af partikler og går kun sammen, når de sænkes nok til at opføre sig som stof, ikke stråling;
- 0,01% af fotoner, der udviser tyngdekraft og elektromagnetisk påvirkning, opfører sig som stråling og er slørede både med stigende volumen og med strækning af bølgelængder.
Over tid bliver disse forskellige komponenter relativt mere eller mindre vigtige, og denne procentdel repræsenterer det, universet består af i dag.
Mørk energi, som følger af vores bedste målinger, har de samme egenskaber på ethvert tidspunkt i rummet, i alle retninger af rummet og i alle episoder af vores kosmiske historie. Med andre ord er mørk energi både homogen og isotrop: den er den samme overalt og altid. Så vidt vi kan se, har mørk energi ikke brug for partikler; det kan let være en ejendom, der er forbundet med rummets struktur.
Men mørkt stof er fundamentalt anderledes.
For at den struktur, som vi ser i universet, skal dannes, især i en stor kosmisk skala, skal mørkt stof ikke kun eksistere, men også komme sammen. Det kan ikke have samme tæthed i hele rummet; snarere bør den koncentreres i områder med højere tæthed og bør være mindre tæt eller helt fraværende i regioner med lavere densitet. Vi kan faktisk fortælle, hvor meget af det samlede stof er i forskellige rumregioner, styret af observationer. De tre vigtigste er:
Kraftspektrum af stof
Kortlæg sagen i universet, se på hvilke skalaer det svarer til galakser - det vil sige, hvor sandsynligt du er for at finde en anden galakse i en bestemt afstand fra galaksen, du starter med - og studer resultatet. Hvis universet bestod af et homogent stof, ville strukturen blive udtværet. Hvis der var mørkt stof i universet, der ikke samlede sig tidligt nok, ville strukturen i lille skala blive ødelagt. Energispektret af energi fortæller os, at ca. 85% af stoffet i universet er repræsenteret af mørkt stof, hvilket er meget forskelligt fra protoner, neutroner og elektroner, og dette mørke stof blev født koldt, eller dets kinetiske energi kan sammenlignes med hvilemasse.
Gravitationslinser
Se på den massive genstand. Lad os sige en kvasar-, galakse- eller galaksehob. Se hvordan baggrundslys forvrænges af tilstedeværelsen af et objekt. Da vi forstår de tyngdekraftlove, der styres af Einsteins generelle relativitetsteori, giver lysbøjning os mulighed for at bestemme, hvor meget masse der er til stede i hvert objekt. Via andre metoder kan vi bestemme mængden af masse, der er til stede i almindeligt stof: stjerner, gas, støv, sorte huller, plasma osv. Og igen finder vi, at 85% af stof er repræsenteret af mørkt stof. Desuden fordeles det mere diffust, overskyet end almindeligt stof. Dette bekræftes af svag og stærk linse.
Kosmisk mikrobølgeovn baggrund
Hvis du ser på den resterende glød fra Big Bang-strålingen, vil du opdage, at den er omtrent ensartet: 2,725 K i alle retninger. Men hvis du ser nærmere på, kan du opdage, at der observeres små defekter på skalaer fra ti til hundreder mikrokelvin. De fortæller os et par vigtige ting, herunder energitæthederne for almindelig materie, mørk materie og mørk energi, men vigtigst af alt fortæller de os, hvor homogent universet var, da det kun var 0,003% af dets nuværende alder. Svaret er, at den tætteste region kun var 0,01% tættere end den mindst tætte region. Med andre ord startede mørkt stof i en homogen tilstand og klumpede sammen efterhånden som tiden gik.
Når vi sætter det hele sammen, kommer vi til den konklusion, at mørkt stof skal opføre sig som en væske, der fylder universet. Denne væske har ubetydeligt tryk og viskositet, reagerer på strålingstryk, kolliderer ikke med fotoner eller almindeligt stof, blev født kold og ikke-relativistisk og bundter sig under indflydelse af sin egen tyngdekraft over tid. Det bestemmer dannelsen af strukturer i universet på de største skalaer. Det er meget heterogent, og størrelsen af dets heterogenitet øges over tid.
Her er hvad vi kan sige om det i stor skala, da de vedrører observationer. På små skalaer kan vi kun antage, ikke helt sikre, at mørkt stof består af partikler med egenskaber, der får det til at opføre sig sådan i stor skala. Årsagen til, at vi antager, at dette er, fordi universet, så vidt vi ved, består af partikler i kernen, det er alt. Hvis du er et stof, hvis du har en masse, en kvanteanalog, skal du uundgåeligt bestå af partikler på et bestemt niveau. Men indtil vi har fundet denne partikel, har vi ingen ret til at udelukke andre muligheder: for eksempel at det er en slags flydende felt, der ikke består af partikler, men påvirker rumtid på den måde, som partikler skal.
Derfor er det så vigtigt at prøve at opdage mørkt stof direkte. Det er umuligt at bekræfte eller benægte den grundlæggende bestanddel af mørkt stof i teorien, kun i praksis, bakket op af observationer. Tilsyneladende har mørkt stof intet at gøre med mørk energi.
Er det lavet af partikler? Indtil vi finder dem, kan vi kun gætte. Universet manifesterer sig som kvante i naturen, når det kommer til enhver anden form for stof, så det er rimeligt at antage, at mørkt stof ville være det samme.
Ilya Khel