Когда что-то не складывается, это отличный признак того, что что-то удивительное уже не за горами.
Каждый четверг мы берем старую запись из архива Starts With A Bang и обновляем ее для сегодняшнего дня. После вчерашнего поста о смерти конкурента №1 темной материи не было лучшего выбора, чем рассказать вам всю историю о самом загадочном и вездесущем источнике материи, пронизывающей нашу Вселенную.
«Наука развивается лучше всего, когда наблюдения заставляют нас изменять наши предубеждения». - Вера Рубин
Я хочу, чтобы вы подумали о Вселенной. Все это; обо всем, что физически существует, как о видимом, так и о невидимом, о законах природы, которым они подчиняются, и о вашем месте в ней.
Это устрашающе, пугающе и одновременно красиво и чудесно, не так ли?
В конце концов, мы проводим всю свою жизнь на одном каменистом мире, это всего лишь одна из многих планет, вращающихся вокруг нашего Солнца, которое является всего лишь одной звездой среди сотен миллиардов в нашей галактике Млечный Путь, которая является всего лишь одной галактика среди сотен миллиардов, составляющих нашу наблюдаемую Вселенную.
Да, мы очень много узнали о том, что происходит снаружи, и о нашем месте в нем. Насколько мы можем судить, мы узнали, каковы фундаментальные законы, управляющие всем в нем!
Что касается гравитации, общая теория относительности Эйнштейна объясняет все: от того, как материя и энергия искривляют звездный свет, до того, почему часы идут медленно в сильных гравитационных полях, до того, как Вселенная расширяется по мере старения. Возможно, это самая хорошо проверенная и проверенная научная теория всех времен, и каждое из ее предсказаний, когда-либо проверенных на точность, подтвердилось, чтобы быть точным.
С другой стороны, у нас есть стандартная модель элементарных частиц и взаимодействий, которая объясняет все, что известно о существовании во Вселенной, и все прочие (ядерные и электромагнитные) силы, с которыми они сталкиваются. Это также, пожалуй, самая хорошо проверенная и проверенная научная теория всех времен.
И можно подумать, что если бы наше понимание вещей было совершенным, если бы мы знали все о строении Вселенной, материи в ней и законах физики, которым она подчиняется, мы были бы в состоянии все объяснить. Почему?Потому что все, что вам нужно сделать, это начать с некоторого набора начальных условий - непосредственно после Большого Взрыва - для всех частиц во Вселенной, примените те законы природы, которые мы знаем, и посмотрите, во что это превратится со временем! Это трудная задача, но в теории ее должно быть не только возможно смоделировать, она должна дать нам пример Вселенной, которая выглядит точно так же, как та, что у нас есть сегодня.
Но это не то, что происходит. На самом деле так быть не может. Эта картина, которую я нарисовал для вас выше, верна, с одной стороны, но мы также знаем, что это не вся история. Происходят и другие вещи, которые мы не до конца понимаем.
Здесь, насколько я могу представить всю историю в одном сообщении в блоге, вся история.
По мере продвижения вперед от события Большого Взрыва наша Вселенная расширяется и остывает, при этом все время испытывает на себе непреодолимую силу гравитации. Со временем происходит ряд крайне важных событий, в том числе, в хронологическом порядке:
- образование первых стабильных атомных ядер,
- образование первых нейтральных атомов,
- формирование звезд, галактик, скоплений и крупномасштабных структур,
- и замедление расширения Вселенной на протяжении всей ее истории.
Если мы будем знать фундаментальные принципы Вселенной и физические законы, которым все подчиняется, мы придем к количественным предсказаниям для всех этих вещей, включая:
- какие ядра и когда образуются в ранней Вселенной,
- как детально выглядит излучение последней рассеивающей поверхности, когда образуются первые нейтральные атомы,
- как выглядит структура Вселенной, от больших масштабов до малых, как сегодня, так и в любой момент в прошлом Вселенной,
- и как масштаб, размер и количество объектов в наблюдаемой Вселенной менялись на протяжении ее истории.
Мы провели наблюдения, количественно измеряющие все эти четыре вещи очень хорошо. Вот что мы узнали.
То, что мы считаем нормальной материей, то есть веществом, состоящим из протона, нейтронов и электронов, сильно ограничено множеством измерений. Прежде чем образовались какие-либо звезды, ядерная печь очень ранней Вселенной сплавила вместе первые протоны и нейтроны в очень определенных соотношениях, в зависимости от того, сколько материи и сколько фотонов было в то время.
Наши измерения говорят нам, и они были подтверждены напрямую, - это точное количество нормальной материи во Вселенной. Это число невероятно жестко ограничено, чтобы быть - в терминах, которые могут быть вам знакомы - около 0,262 протонов + нейтронов на кубический метр. Может быть 0,28 или 0,24., или какое-то другое число в этом диапазоне, но на самом деле не может быть больше или меньше этого; наши наблюдения слишком тверды. (А поскольку сегодня мы знаем размеры Вселенной, мы знаем и среднюю плотность обычной материи!)
После этого Вселенная продолжает расширяться и охлаждаться, пока, в конце концов, фотоны во Вселенной - которых численно больше, чем ядер более чем в миллиард к одному - потеряют достаточно энергии, чтобы нейтральные атомы могли формироваться без немедленно разлетаются на части.
Когда эти нейтральные атомы, наконец, сформируются, фотоны могут свободно и беспрепятственно двигаться в том направлении, в котором они двигались последними. Миллиарды лет спустя это оставшееся от Большого Взрыва свечение - «эти фотоны» - все еще существует, но они продолжают остывать и теперь находятся в микроволновом диапазоне электромагнитного спектра. Впервые наблюдаемые в 1960-х годах, мы теперь не только измерили этот Космический Микроволновый Фон, мы измерили крошечные температурные флуктуации - микрофлуктуации шкалы Кельвина - , которые существуют в нем.
Эти колебания температуры, а также величины, корреляции и масштабы, в которых они проявляются, могут дать нам невероятное количество информации о Вселенной. В частности, они могут сказать нам, каково отношение общей материи во Вселенной к отношению нормальная материя. Если бы это число равнялось 100 %, мы бы увидели очень конкретный паттерн, а тот паттерн, который мы видим, совсем не похож на этот.
Вот что мы нашли.
Необходимое соотношение для получения этой конкретной модели покачиваний составляет около 5:1, что означает, что только около 16% вещества в Вселенная может быть нормальной материей. Это ничего не говорит нам о том, что представляют собой остальные 84%, за исключением того, что это не то же самое, из чего мы сделаны. Только из Космического Микроволнового Фона мы знаем только, что он оказывает гравитационное влияние, как обычная материя, но не взаимодействует с электромагнитным излучением (фотонами), как обычная материя.
Вы можете такжепредставить, что у нас что-то не так с законами гравитации; что есть некоторая модификация, которую мы можем внести, чтобы имитировать этот эффект, который мы можем воссоздать, добавив темную материю. Мы не знаем, какая модификация могла бы это сделать (мы еще не нашли ни одной), но можно предположить, что мы просто неправильно поняли законы гравитации. Если бы модифицированная теория гравитации могла объяснить флуктуации микроволнового фона вообще без какой-либо темной материи, это было бы невероятно интересно.
Но если темная материя действительно существует, то это может быть что-то легкое, вроде нейтрино, или что-то очень тяжелое, вроде теоретического вимпа. Это может быть что-то быстро движущееся с большой кинетической энергией, а может быть что-то медленно движущееся практически без нее. Мы просто знаем, что все это не может быть обычными вещами, к которым мы привыкли, и которых мы привыкли ожидать. Но мы можем узнать об этом больше, моделируя, как во Вселенной формируются структуры - звезды, галактики, скопления и крупномасштабные структуры - .
Потому что типы структур, которые вы получаете - в том числе, какие типы галактик, скоплений, газовых облаков и т.д.- существовать во все времена истории Вселенной. Эти различия не проявляются в Космическом Микроволновом Фоне, но они проявляются в структурах, формирующихся во Вселенной.
Что мы делаем, так это смотрим на галактики, которые формируются во Вселенной, и видим, как они группируются вместе: как далеко от галактики я должен смотреть, прежде чем я увижу вторую галактику? Как рано во Вселенной формируются большие галактики и скопления? Как быстро формируются первые звезды и галактики? И что мы можем из этого узнать о материи во Вселенной?
Потому что, если темная материя - которая не взаимодействует со световой или нормальной материей - имеет много кинетической энергии, она будет задерживать образование звезд, галактик и скоплений. Если в темной материи есть немного, но не слишком много, это облегчает формирование скоплений, но все еще затрудняет формирование звезд и галактик на ранних стадиях. Если бы темной материи практически не было, мы бы рано начали формировать звезды и галактики. Кроме того, чем больше темной материи (по сравнению с нормальной материей), тем более плавными будут корреляции между галактиками в разных масштабах, а чем меньше темной материи, тем более резкими будут различия в корреляциях между разными масштабами.
Причина этого в том, что на раннем этапе, когда облака обычной материи начинают сжиматься под действием силы гравитации, давление излучения возрастает, заставляя атомы «отскакивать» на определенных масштабах. Но темная материя, невидимая для фотонов, этого не сделает. Итак, если мы увидим, насколько велики эти «отскакивающие элементы», известные как барионные акустические колебания, мы сможем узнать, существует ли темная материя или нет, и - если она есть - каковы ее свойства. То, что мы строим, если мы хотим это увидеть, столь же мощно, как и график колебаний микроволнового фона, парой изображений выше. Это гораздо менее известный, но не менее важный спектр мощности материи, показанный ниже.
Как вы можете ясно видеть, мы видим эти «подпрыгивающие» функции, так как это покачивания на кривой выше. Но это небольшие отскоки, согласующиеся с тем, что от 15 до 20% материи представляет собой «нормальную» материю, а подавляющее большинство - гладкую, «темную» материю. Опять же, вы можете задаться вопросом, не могли бы мы каким-то образом изменить гравитацию, чтобы учесть этот тип измерения, вместо того, чтобы вводить темную материю. Мы еще не нашли ни одного, но если бы такая модификация была найдена, это было бы ужасно убедительно. Но нам нужно найти модификацию, которая работает как для спектра мощности материи, так и для космического микроволнового фона, так же, как Вселенная, где 80% материи составляет темная материя, работает для обоих.
Это из структурных данных в больших масштабах; мы также можем смотреть в малых масштабах и видеть, полностью ли гравитационно коллапсируют небольшие облака газа между нами и очень далекими яркими объектами из ранней Вселенной; смотрим для этого лес Лайман-альфа.
Эти промежуточные сверхдальние облака газообразного водорода учат нас тому, что если темная материя и существует, то у нее должна быть очень небольшая кинетическая энергия. Таким образом, это говорит нам о том, что либо темная материя родилась несколько холодной, без очень большой кинетической энергии, либо она очень массивная, так что тепло ранней Вселенной не оказало большого влияния на скорость, с которой она двигалась миллионы лет. позже. Другими словами, насколько мы можем определить температуру темной материи, если предположить, что она существует, она находится на холодной стороне.
Но мы также должны объяснить структуры меньшего масштаба, которые мы имеем сегодня, и изучить их в кровавых деталях. Это означает, что когда мы смотрим на скопления галактик, они тоже должны состоять из 80-85% темной материи и 15-20% нормальной материи. Темная материя должна существовать в виде большого диффузного гало вокруг галактик и скоплений. Нормальная материя должна быть в нескольких различных формах: звезды, которые являются чрезвычайно плотными, схлопнувшимися объектами, и газ, рассеянный (но более плотный, чем темная материя) и в облаках, населяющий межзвездную и межгалактическую среду. При нормальных обстоятельствах материя нормальная и темная удерживается вместе гравитационно. Но время от времени эти скопления сливаются, что приводит к столкновению и космическому столкновению.
Темная материя из двух скоплений должна проходить прямо друг через друга, потому что темная материя не сталкивается с нормальной материей или фотонами, как звезды в галактиках. (Звезды не сталкиваются, потому что столкновение скоплений похоже на стрельбу из двух ружей, заряженных птичьими ядрами, друг в друга с расстояния 30 ярдов: каждая пуля должна промахнуться.) Но диффузный газ должен нагреваться, когда они сталкиваются, излучая энергию в рентген (показан розовым) и теряет импульс. В кластере Bullet выше мы видим именно это.
То же самое для скопления мушкетных пуль, немного более древнего столкновения, чем скопление пуль, которое было проанализировано совсем недавно. Но другие более сложны; скопление Abell 520, например, ниже, все еще изучается, так как источник гравитационного линзирования, по-видимому, не на 100% коррелирует с ожидаемой массой.
Если мы посмотрим на отдельные компоненты, то увидим, где находятся галактики (а также там, где должна быть темная материя), а также рентгеновские лучи, которые говорят нам, где находится газ. то есть вы ожидаете, что данные линзирования - которые чувствительны к массе (и, следовательно, темной материи) - отразят это.
Но мы можем перейти к еще меньшему масштабу и посмотреть на отдельные галактики сами по себе. Потому что вокруг каждой отдельной галактики должно быть огромное гало темной материи, составляющее примерно 80% массы галактики, но гораздо большее и рассеянное, чем сама галактика.
В то время как спиральная галактика, такая как Млечный Путь, может иметь диск диаметром 100 000 световых лет, ее гало из темной материи, как ожидается, простирается на несколько миллионов световых лет! Он невероятно рассеян, потому что не взаимодействует с фотонами или обычной материей, поэтому не может терять импульс и образовывать очень плотные структуры, как это может делать обычная материя.
Однако у нас пока нет никакой информации, так это о том, взаимодействует ли темная материя каким-либо образом сама с собой. Различные симуляции дают очень разные результаты, например, относительно того, как должна выглядеть плотность одного из этих ореолов.
Если темная материя холодная и не взаимодействует сама с собой, она должна иметь профиль NFW или профиль Мура, как указано выше. Но если ему позволить термироваться самим с собой, он сделает изотермический профиль. Другими словами, плотность не продолжает увеличиваться по мере приближения к ядру изотермического гало темной материи.
Почему гало темной материи изотермическое, неясно. Темная материя может быть самодействующей, она может демонстрировать какое-то правило исключения, она может подчиняться новой силе, специфичной для темной материи, или чему-то еще, о чем мы еще не думали. Or, конечно, могло просто не существовать, и известные нам законы гравитации могли просто нуждаться в модификации. В галактических масштабах именно здесь МОНД, теория модифицированной ньютоновской динамики, действительно сияет.
В то время как профили NFW и Мура , полученные из простейших моделей холодной темной материи - , на самом деле не очень хорошо совпадают с наблюдаемыми кривыми вращения, MOND идеально подходит для отдельных галактик. Изотермические ореолы работают лучше, но им не хватает убедительного теоретического объяснения. Если бы мы основывали наше понимание проблемы «отсутствующей массы» только на том, существует ли дополнительная «темная» материя или есть ли изъян в нашей теории гравитации - , на отдельных галактиках, я, вероятно, присоединился бы к МОНДовскому объяснению..
Итак, когда вы видите заголовок вроде «Серьезный удар по теориям темной материи?», у вас уже есть намек на то, что они рассматривают отдельные галактики. В качестве примера рассмотрим один из двухлетней давности.
Группа исследователей изучила звезды, относительно близкие к нашему Солнечному соседству, и искала доказательства этого внутреннего распределения массы в теоретическом гало темной материи. Вы заметите, взглянув на пару изображений вверх, что только самые простые, полностью бесстолкновительные модели холодной темной материи дают такой большой эффект в ядрах гало темной материи.
Итак, давайте посмотрим, что показывает опрос.
Действительно, простые (NFW и Мура) профили ореола крайне нежелательны, как показали многие предыдущие исследования. Хотя это интересно, потому что по-новому демонстрирует их недостаточность на этих малых масштабах.
Итак, вы спрашиваете себя, позволяют ли эти мелкомасштабные исследования, те, которые поддерживают модифицированную гравитацию, обойтись без темной материи при объяснении крупномасштабной структуры, леса Лайман-альфа? флуктуации космического микроволнового фона или энергетический спектр материи Вселенной? На данный момент ответы следующие: no, no, no и no. Определенно. Это не означает, что темная материя - однозначное «да», а изменение гравитации - однозначное «нет». Это просто означает, что я точно знаю, каковы относительные успехи и оставшиеся проблемы для каждого из этих вариантов. Вот почему я недвусмысленно заявляю, что современная космология в подавляющем большинстве предпочитает темную материю модифицированной гравитации, и это было до того, как измерения двойных пульсаров исключили наиболее реальную возможность модифицированной гравитации.
Но я также знаю - и свободно признаю - в точности, что потребуется, чтобы изменить мое научное мнение о том, какая из теорий является ведущей. И вы, конечно, вольны верить во что хотите, но есть очень веские причины, по которым модификации гравитации, которые можно сделать, чтобы получить гравитацию, так хорошо работают без темной материи в галактических масштабах, не учитывают другие наблюдения без учета темной материи.
И мы знаем, чем это не является: это не барион (нормальная материя), это не черные дыры, это не фотоны, это не быстро движущееся, горячее вещество, и, вероятно, это не простой, стандартный, холодный и невзаимодействующий материал, на что надеется большинство теорий типа WIMP.
Я думаю, что это, вероятно, будет чем-то более сложным, чем ведущие теории сегодняшнего дня. Это не значит, что я точно знаю, что такое темная материя или как ее найти. Я даже сочувствую некоторой степени скептицизма, выраженному на этот счет; Я не думаю, что стал бы утверждать, что на 100% уверен в том, что темная материя верна, и наши теории гравитации также верны, пока мы не сможем более непосредственно подтвердить существование темной материи. Но если вы хотите отвергнуть темную материю, есть целый ряд вещей, которые вам нужно объяснить каким-то другим способом. Не игнорируйте полностью крупномасштабную структуру и необходимость ее решения; это верный способ не заслужить моего уважения и уважения каждого космолога, который его изучает.
И это, насколько я могу выразить в одном сообщении в блоге, вся история о темной материи. Я уверен, что есть много комментариев; да начнется фейерверк!
Выскажите свое мнение на форуме Starts With A Bang в Scienceblogs!