Všetko, čo sme kedy vo vesmíre pozorovali, od hmoty po žiarenie, sa dá rozložiť na najmenšie zložky. Všetko na tomto svete pozostáva z atómov, ktoré sú tvorené nukleónmi a elektrónmi a nukleóny sú rozdelené na kvarky a gluóny. Svetlo sa tiež skladá z častíc: fotónov. Aj gravitačné vlny sú teoreticky tvorené gravitónmi: časticami, ktoré jedného dňa so šťastím nájdeme a napravíme. Čo však s temnou hmotou? Nepriame dôkazy o jeho existencii nemožno poprieť. Mal by však byť zložený aj z častíc?
Sme zvyknutí myslieť si, že tmavá hmota je zložená z častíc, a beznádejne sa ich pokúšame odhaliť. Čo však v prípade, že sa pozeráme na nesprávne miesto?
Ak sa dá temná energia interpretovať ako energia obsiahnutá v samotnej štruktúre vesmíru, je možné, že „tmavá hmota“je tiež vnútornou funkciou samotného vesmíru - úzko alebo vzdialene súvisí s temnou energiou? A že namiesto tmavej hmoty budú gravitačné účinky, ktoré by mohli vysvetľovať naše pozorovania, skôr dôsledkom „temnej hmoty“?
Špeciálne pre vás uviedol fyzik Ethan Siegel naše teoretické prístupy a možné scenáre.
Jednou z najzaujímavejších vlastností vesmíru je vzájomný vzťah medzi tým, čo sa nachádza vo vesmíre, a tým, ako sa rýchlosť expanzie mení v priebehu času. Prostredníctvom mnohých starostlivých meraní mnohých rôznorodých zdrojov - hviezd, galaxií, supernov, kozmického mikrovlnného pozadia a rozsiahlych štruktúr vesmíru - sme boli schopní zmerať obidve a určiť, z čoho sa vesmír skladá. V zásade existuje veľa rôznych predstáv o tom, z čoho môže náš vesmír pozostávať, a všetky majú rôzny vplyv na vesmírnu expanziu.
Vďaka získaným údajom teraz vieme, že vesmír sa skladá z nasledujúceho:
- 68% tmavej energie, ktorá zostáva na stálej energetickej hustote, aj keď sa priestor rozširuje;
Propagačné video:
- 27% tmavej hmoty, ktorá vykazuje gravitačnú silu, je rozmazávaných s nárastom objemu a nenecháva sa merať pomocou akejkoľvek inej známej sily;
- 4,9% obyčajnej hmoty, ktorá prejavuje všetky svoje sily, je rozmazané, keď sa objem zväčšuje, uzlí na hrudky a skladá sa z častíc;
- 0,1% neutrína, ktoré vykazujú gravitačné a elektroslabé interakcie, sú tvorené z častíc a klepajú spolu, iba keď spomalia natoľko, aby sa správali skôr ako hmota než ako radiácia;
- 0,01% fotónov, ktoré vykazujú gravitačné a elektromagnetické vplyvy, sa správajú ako žiarenie a sú rozmazané pri zvyšovaní objemu aj pri rozťahovaní vlnových dĺžok.
Postupom času sa tieto rôzne súčasti stanú relatívne viac či menej dôležitými a toto percento predstavuje to, z čoho sa dnes skladá vesmír.
Temná energia, ako vyplýva z našich najlepších meraní, má rovnaké vlastnosti v ktoromkoľvek bode vesmíru, vo všetkých smeroch vesmíru a vo všetkých epizódach našej kozmickej histórie. Inými slovami, tmavá energia je homogénna aj izotropná: je rovnaká všade a vždy. Pokiaľ vieme, tmavá energia nepotrebuje častice; ľahko to môže byť vlastnosť obsiahnutá v štruktúre vesmíru.
Ale temná hmota je zásadne iná.
Aby sa mohla vytvoriť štruktúra, ktorú vidíme vo vesmíre, najmä vo veľkom kozmickom meradle, musí temná hmota nielen existovať, ale aj sa spojiť. Nemôže mať rovnakú hustotu v celom vesmíre; skôr by mala byť sústredená v regiónoch s vyššou hustotou a mala by byť menej hustá alebo úplne chýbať v regiónoch s nižšou hustotou. Na základe pozorovaní môžeme skutočne povedať, koľko z celkovej hmoty sa nachádza v rôznych oblastiach vesmíru. Tri najdôležitejšie sú:
Výkonové spektrum hmoty
Zmapujte hmotu vo vesmíre, pozrite sa, v akom meradle zodpovedá galaxiám - teda aká je pravdepodobnosť, že v určitej vzdialenosti od galaxie, s ktorou začínate, nájdete inú galaxiu - a preštudujte si výsledok. Keby vesmír pozostával z homogénnej látky, štruktúra by bola rozmazaná. Keby vo vesmíre bola temná hmota, ktorá by sa nezhromažďovala dostatočne skoro, štruktúra v malom meradle by bola zničená. Energetické spektrum energie nám hovorí, že približne 85% hmoty vo vesmíre predstavuje temná hmota, ktorá sa vážne líši od protónov, neutrónov a elektrónov, a táto temná hmota sa narodila studená, alebo je jej kinetická energia porovnateľná s pokojovou hmotou.
Gravitačné šošovky
Pozrite sa na masívny objekt. Povedzme kvasar, galaxia alebo zhluky galaxií. Zistite, ako je svetlo v pozadí skreslené prítomnosťou objektu. Pretože chápeme zákony gravitácie riadené Einsteinovou teóriou všeobecnej relativity, to, ako sa ohýba svetlo, nám umožňuje určiť, koľko hmoty je v každom objekte. Pomocou ďalších metód môžeme určiť množstvo hmoty, ktorá je prítomná v bežnej hmote: hviezdy, plyn, prach, čierne diery, plazma atď. Opäť zistíme, že 85% hmoty predstavuje tmavá hmota. Navyše je distribuovaný rozptýlenejšie, zakalenejšie ako bežná hmota. Potvrdzuje to slabá a silná šošovka.
Kozmické mikrovlnné pozadie
Ak sa pozriete na zostávajúcu žiaru žiarenia Veľkého tresku, zistíte, že je zhruba rovnomerná: 2,725 K. vo všetkých smeroch. Ak sa však pozriete bližšie, zistíte, že drobné chyby sa pozorujú na váhach od desiatok do stoviek mikrokelvinov. Hovoria nám niekoľko dôležitých vecí, vrátane energetických hustôt obyčajnej hmoty, tmavej hmoty a temnej energie, ale čo je najdôležitejšie, hovoria nám, aký homogénny bol vesmír, keď bol iba 0,003% svojho súčasného veku. Odpoveď je, že najhustejšia oblasť bola iba o 0,01% hustejšia ako najmenej hustá oblasť. Inými slovami, tmavá hmota začala v homogénnom stave a postupom času sa zhlukovala.
Keď to dáme dohromady, dospejeme k záveru, že temná hmota by sa mala správať ako kvapalina, ktorá napĺňa vesmír. Táto tekutina má zanedbateľný tlak a viskozitu, reaguje na tlak žiarenia, nezráža sa s fotónmi ani s bežnou hmotou, narodila sa chladná a nerelativistická a hromadila sa pod vplyvom vlastnej gravitácie v priebehu času. Určuje formovanie štruktúr vo vesmíre v najväčších mierkach. Je vysoko heterogénny a rozsah jeho heterogenity sa časom zvyšuje.
Tu je to, čo k tomu môžeme povedať vo veľkom meradle, pretože sa týkajú pozorovaní. V malých mierkach môžeme iba predpokladať, nie sme si úplne istí, že tmavá hmota je zložená z častíc s vlastnosťami, vďaka ktorým sa správa takto vo veľkom meradle. Dôvod, prečo to predpokladáme, je ten, že vesmír, pokiaľ vieme, je tvorený časticami v jadre, to je všetko. Ak ste látka, ak máte hmotu, kvantový analóg, musíte sa nevyhnutne skladať z častíc na určitej úrovni. Ale kým nenájdeme túto časticu, nemáme právo vylúčiť ďalšie možnosti: napríklad to, že sa jedná o druh tekutého poľa, ktoré sa netvorí z častíc, ale ovplyvňuje časopriestor tak, ako by častice mali.
Preto je také dôležité pokúsiť sa priamo detekovať tmavú hmotu. Teoreticky je nemožné potvrdiť alebo poprieť základnú zložku temnej hmoty, iba v praxi podloženú pozorovaniami. Temná hmota zjavne nemá nič spoločné s temnou energiou.
Je vyrobený z častíc? Kým ich nenájdeme, môžeme len hádať. Vesmír sa prejavuje ako kvantová príroda, pokiaľ ide o inú formu hmoty, takže je rozumné predpokladať, že temná hmota by bola rovnaká.
Iľja Khel