Οι αστρονόμοι χαρτογραφούν έμμεσα τη σκοτεινή ύλη, μέσω της βαρυτικής έλξης σε άλλα αντικείμενα.
Πολ Μ. Σάτερ είναι αστροφυσικός στο Το Πανεπιστήμιο του Οχάιο, οικοδεσπότης του Ρωτήστε έναν Spaceman και Διαστημικό ραδιόφωνοκαι συγγραφέας του "Η θέση σας στο Σύμπαν."Ο Sutter συνέβαλε σε αυτό το άρθρο Οι ειδικές φωνές του Space.com: Op-Ed & Insights.
Η σύγχρονη μελέτη ολόκληρου του σύμπαντος, ο κλάδος της επιστήμης που είναι γνωστή ως κοσμολογία, οφείλει την τρέχουσα κατάστασή της σε πολλές αξιοσημείωτες προσωπικότητες, που χρονολογούνται για σχεδόν έναν αιώνα αφιερωμένης, σκληρής έρευνας.
Μερικά από αυτά τα ονόματα μπορεί να είναι γνωστά: Albert Einstein, Edwin Hubble, Vera Rubin, κ.λπ. Αλλά πρόσφατα η επιτροπή βραβείων Νόμπελ αναγνώρισε τις συνεισφορές ενός ονόματος που ίσως δεν αναγνωρίζετε, του Jim Peebles και του έδωσε το ήμισυ του βραβείου φυσικής του 2019"για τη συμβολή μας στην κατανόηση της εξέλιξης του σύμπαντος και της θέσης της Γης στον Κόσμο."
Αρκεί να πούμε ότι η κοσμολογία δεν θα ήταν εκεί που είναι σήμερα χωρίς τις προσπάθειες του Jim Peebles. Είναι ένα πράγμα να δηλώσω το Μοντέλο Big Bang στην απλότητα του μπλουζιού (π.χ., "το σύμπαν ήταν μικρότερο και πιο ζεστό, και τώρα δεν είναι"), αλλά είναι εντελώς διαφορετικό πράγμα να το μετατρέψουμε σε μια ακριβή μαθηματική διατύπωση ικανή να κάνει προβλέψεις για σύγκριση παρατηρήσεις. Είναι δίκαιο να πούμε ότι ο Peebles βοήθησε να μεταμορφώσει την κοσμολογία από "καθαρή και γενικά σωστή ιδέα" σε "ένα πεδίο πραγματικής επιστήμης". Ας εξερευνήσουμε τρεις κύριους δρόμους όπου οι γνώσεις του μας καθοδήγησαν:
Το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων
Εάν το πρώιμο σύμπαν ήταν μικρότερο από αυτό που είναι σήμερα, τότε πρέπει επίσης να ήταν πιο ζεστό και πιο πυκνό. Και μόλις αποδεχτείτε αυτήν την πραγματικότητα, συνειδητοποιείτε γρήγορα ότι, κάποια στιγμή στο μακρινό παρελθόν, το σύμπαν πρέπει να ήταν τόσο πυκνό και τόσο ζεστό που υπήρχε σε μια εντελώς διαφορετική κατάσταση της ύλης.
Πάνω από 13 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, όταν το σύμπαν ήταν περίπου το ένα εκατομμύριο του σημερινού όγκου του, όλα τα πράγματα στον Κόσμο ήταν τόσο μαλακά που ήταν ένα πλάσμα, μια κατάσταση της ύλης στην οποία τα ηλεκτρόνια είναι σχισμένα από τα άτομα και είναι ελεύθερα να περιφέρονται μόνοι τους. Τότε, το σύμπαν ήταν αρκετά έντονο.
Αλλά τότε μεγάλωσε, έγινε μεγαλύτερο και έγινε πιο κρύο. Και σε μια συγκεκριμένη ηλικία, οι θερμοκρασίες και οι πιέσεις μειώθηκαν κάτω από ένα κρίσιμο όριο και τα ηλεκτρόνια ήταν σε θέση να προσκολληθούν στα άτομα χωρίς να χτυπηθούν αμέσως. Σε ένα φλας, το σύμπαν έγινε διαφανές στην ακτινοβολία και αυτό το φως - κυριολεκτικά λευκό-ζεστό τη στιγμή της απελευθέρωσής του - παραμένει μέχρι σήμερα, εμποτίζοντας τον Κόσμο.
Αλλά σήμερα αυτό το φως έχει χάσει πολύ ατμό και ψύχεται μόνο μερικούς βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν, σταθερά στη ζώνη μικροκυμάτων. Αυτό "κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων«Ανακαλύφθηκε τυχαία από ένα ζευγάρι φυσικών μικροκυμάτων το 1964, αλλά χωρίς να τους γνωρίζει μια ομάδα θεωρητικών, συμπεριλαμβανομένου του Peebles, είχε ήδη προβλέψει την ύπαρξή του. Οι φυσικοί μικροκυμάτων κέρδισαν το Νόμπελ το 1978, αλλά ποτέ δεν είναι πολύ αργά για την αναγνώριση της επιτροπής Νόμπελ θεωρητικοί επίσης.
Σκοτεινή ύλη
Τη δεκαετία του 1970, αστρονόμος Βέρα Ρούμπιν ανακάλυψε κάτι αστείο που συμβαίνει με γαλαξίες: τα αστέρια μέσα τους περιστρέφονταν πολύ γρήγορα. Τόσο γρήγορα, στην πραγματικότητα, ότι οι γαλαξίες έπρεπε να είχαν ξεσπάσει πριν δισεκατομμύρια χρόνια. Αλλά εκεί ήταν, χαρούμενοι σαν μαλάκια.
Τι συνέβαινε? Δεν καταλάβαμε κάτι για τη φύση της βαρύτητας σε κλίμακες τόσο μεγάλες όσο οι γαλαξίες; Ή μήπως το σύμπαν είχε ένα επιπλέον συστατικό που μας είχε κρυφτεί μέχρι τις παρατηρήσεις του Rubin;
Μερικοί αστρονόμοι, συμπεριλαμβανομένης της ίδιας της Ρούμπιν, πίστευαν ότι χρειαζόταν να τροποποιήσουμε τους νόμους της φυσικής για να διορθώσουμε τα πράγματα. Αλλά άλλοι, συμπεριλαμβανομένου του Peebles, πίστευαν ότι υπήρχε κάτι περισσότερο σε έναν γαλαξία παρά το συναίσθημα. Ήταν ένας από τους πρώτους υποστηρικτές αυτού που τώρα ονομάζουμε «κρύα σκοτεινή ύλη» - μια νέα μορφή ύλης που δεν αλληλεπιδρά με το φως (και ως εκ τούτου δεν αλληλεπιδρά με οτιδήποτε άλλο εκτός από τη βαρύτητα). Τώρα το ξέρουμε σκοτεινή ύλη κορεσμός του σύμπαντος, εξαλείφοντας την κανονική ύλη με αναλογία τουλάχιστον 5: 1.
Ο Peebles και οι συνεργάτες του έκαναν το έργο να διερευνήσουν τι θα σήμαινε αυτή η νέα υπόθεση όσον αφορά τη συμπεριφορά του γαλαξία και παρείχαν χρήσιμες δοκιμές στους παρατηρητές να στοχεύσουν και να μετρήσουν.
Σήμερα, ενώ ακόμα δεν καταλαβαίνουμε πλήρως τη σκοτεινή ύλη - και δεν έχουμε ακόμη προσδιορίσει την ακριβή της ταυτότητα - τα στοιχεία προέρχονται από πολλές οπτικές γωνίες, συμπεριλαμβανομένων λεπτών αποτυπώσεων στο ίδιο το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, ότι η σκοτεινή ύλη είναι ένα σημαντικό συστατικό της σύμπαν.
Κοσμική δομή
Αλλά ο Peebles δεν σταμάτησε με τις πρώτες στιγμές του Big Bang ή μυστηριώδη και αόρατα συστατικά στο σύμπαν μας. Το Peebles πήγε μεγάλο - πολύ μεγάλο.
Βλέπουμε στο σύμπαν γύρω μας όλα τα είδη διαφορετικών ειδών γαλαξιών σε κάθε είδους φανταστικές ρυθμίσεις. Μερικοί γαλαξίες συνδέονται μεταξύ τους σε γιγαντιαίες συστάδες, ενώ άλλοι είναι μοναχικοί. Μερικά είναι τεράστια και μεγάλα, και άλλα είναι μικρά και ελάχιστα αισθητά. Και όταν σμικρύνουμε τις μεγαλύτερες κλίμακες, βλέπουμε ένα τεράστιο "κοσμικός ιστός, "το μεγαλύτερο μοτίβο που βρίσκεται στη φύση, μια δομή που εκτείνεται από το ένα άκρο του ορατού σύμπαντος στο άλλο.
Ο κοσμικός ιστός είναι φτιαγμένος από γαλαξίες, και όπως υποδηλώνει το όνομα, μοιάζει με έναν κοσμικό ιστό αράχνης.
Πώς έγινε ότι συμβεί?
Ο Peebles και οι φίλοι του οδήγησαν τον τρόπο να εξηγήσουν την προέλευση του κοσμικού ιστού, διαπιστώνοντας ότι οι δομές στο σύμπαν μας αναπτύσσονται αργά με την πάροδο του χρόνου, δημιουργώντας από μικρότερα κομμάτια σε μεγαλύτερα κομμάτια με κάθε πέρασμα του χρόνου.
Βρήκαν πώς να αναζητήσουν υπαινιγμούς σπόρων δομής στο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, ορατοί ως μικροσκοπικές διακυμάνσεις θερμοκρασίας όχι μεγαλύτερες από 1 μέρος στα 100.000. Αυτές οι παραλλαγές ήταν οι τοποθεσίες των πρώτων ομάδων πυκνότητας ελαφρώς υψηλότερης από τον μέσο όρο, όπου περισσότερη ύλη (ειδικά σκοτεινή ύλη!) Θα ρέει κατά τη διάρκεια εκατομμυρίων ετών.
Τελικά, αυτά τα μικρά ψήγματα θα μεγαλώσουν για να γίνουν γαλαξίες, και μερικοί γαλαξίες συγκεντρώθηκαν για να σχηματίσουν συστάδες γαλαξιών. Και αφού όλα αυτά τα υλικά που χρησιμοποιούσαν για την κατασκευή αυτών των μεγάλων κατασκευών έπρεπε να προέρχονται από κάπου, άνοιξαν και επεκτάθηκαν τεράστιες κενές περιοχές. Αυτά έγιναν τα κενά στον κοσμικό ιστό, γνωστά ως κενά.
Κατά τη διάρκεια των δεκαετιών ο Jim Peebles έχει γράψει εκατοντάδες άρθρα και συνεργάστηκε με εκατοντάδες αστρονόμους, αστροφυσικούς, φυσικούς και κοσμολόγους, και ήταν κρίσιμος παίκτης στη ζωγραφική του πορτρέτου του σύμπαντος που τώρα καταλαβαίνουμε.
- Νόμπελ Φυσικής: 1901-Παρόν
- Dark Matter and Dark Energy: The Mystery Explained (Γράφημα)
- 11 αναπάντητες ερωτήσεις σχετικά με το Dark Matter
Μπορείτε να ακούσετε το podcast Ask A SpacemaniTunesκαι στον Ιστό στο http://www.askaspaceman.com. Κάντε τη δική σας ερώτηση στο Twitter χρησιμοποιώντας το #AskASpaceman ή ακολουθώντας τον Paul @PaulMattSutter και facebook.com/PaulMattSutter. Ακολουθήστε μας στο Twitter @Spacedotcom ή Facebook.
