Damcaniaethau Am Ynni Tywyll a Mater Tywyll
Mae'r bydysawd rydyn ni'n ei arsylwi—sêr, planedau, nwy rhyngserol, a galaethau—yn cynrychioli dim ond cyfran fach o'r cosmos. Ers diwedd yr 20fed ganrif, mae cosmolegwyr wedi dod yn fwyfwy argyhoeddedig bod y gydran fwyaf o'r bydysawd mewn gwirionedd yn anweledig i ni. Dau derm sy'n codi'n aml yn y drafodaeth hon yw mater tywyll ac egni tywyll. Mae'r ddau yn "dywyll" oherwydd nad ydyn nhw'n allyrru, yn amsugno nac yn adlewyrchu golau mewn ffordd sy'n hawdd ei chanfod; fodd bynnag, mae eu rolau a'u priodweddau tybiedig yn wahanol iawn. Mae'r erthygl hon yn trafod y prif theorïau am fater tywyll ac egni tywyll, y dystiolaeth arsylwadol sy'n eu cefnogi, a'r heriau y mae gwyddoniaeth fodern yn dal i'w hwynebu.
Pam Mae Angen y Cysyniad o "Dywyllwch" Arnom?
Mewn cosmoleg, rhaid i theorïau gyd-fynd â data arsylwadol. Pan fydd seryddwyr yn mesur cyflymder cylchdro galaethau, y ffordd maen nhw'n plygu golau (lensio disgyrchiant), a'r patrymau ymbelydredd sy'n weddill o'r Glec Fawr (Cefndir Microdon Cosmig/CMB), mae'r canlyniadau'n awgrymu bod "rhywbeth" yn dylanwadu'n ychwanegol ar ddisgyrchiant ac esblygiad y bydysawd. Ond nid yw'r "rhywbeth" hwnnw'n ymddangos fel mater goleuol fel sêr.
Ar y llaw arall, ar raddfa gosmig fawr iawn, datgelodd arsylwadau o uwchnofâu math Ia ddiwedd y 1990au ffaith annisgwyl: nid yw ehangu'r bydysawd yn arafu, ond yn hytrach yn cyflymu. I esbonio'r cyflymiad hwn, roedd angen cydran â phwysau negyddol a oedd yn gwthio gofod-amser i ehangu'n gyflymach ac yn gyflymach. Yn ddiweddarach, galwyd y gydran hon yn ynni tywyll.
Mater Tywyll: Damcaniaethau Allweddol a Thystiolaeth
1. Cromlin Cylchdroi Galaeth
Daw un o'r darnau clasurol o dystiolaeth ar gyfer mater tywyll o fesuriadau o gromliniau cylchdro galaethau troellog. Yn ôl disgyrchiant Newtonaidd, dylai cyflymder sêr sy'n cylchdroi canol galaeth leihau wrth i'r pellter o'r canol gynyddu. Fodd bynnag, gwelir y gwrthwyneb: mae'r cyflymder yn tueddu i aros yn uchel ac yn "wastad" ymhell allan i ymyl y galaeth. Mae hyn yn awgrymu bod màs ychwanegol wedi'i ddosbarthu'n eang, gan ffurfio halo mater tywyll o amgylch y galaeth.
2. Lens Disgyrchiant
Yn ôl perthnasedd cyffredinol, mae màs yn plygu gofod-amser, felly mae golau sy'n mynd ger màs mawr yn cael ei blygu. Mewn llawer o systemau cosmig (clystyrau galaethau, galaethau sengl), mae effeithiau lensio disgyrchiant yn dangos mwy o fàs nag y gellir ei gyfrif gan fater goleuol. Enghraifft enwog yw'r Clwstwr Bwled, lle mae'r dosbarthiad màs (a olrhainir trwy lensio disgyrchiant) wedi'i wahanu oddi wrth y nwy poeth goleuol (a welir mewn pelydrau-X). Yn aml, ystyrir bod y ffenomen hon yn gefnogaeth gref i'r ffaith bod mater tywyll yn gydran real, yn hytrach na dim ond camsyniad o ddisgyrchiant.
3. Ymbelydredd Cefndir Cosmig (CMB) a Strwythur ar Raddfa Fawr
Mae'r CMB yn cadw "olrhain" o amodau yn y bydysawd cynnar. Mae patrymau amrywiad bach yn y CMB, pan gânt eu dadansoddi, yn darparu amcangyfrifon o gyfansoddiad y cosmos. Mae'r canlyniadau'n gyson â modelau sy'n awgrymu bod y bydysawd wedi'i gyfansoddi o tua ~5% o fater cyffredin, ~27% o fater tywyll, a ~68% o ynni tywyll (gall y niferoedd amrywio ychydig yn dibynnu ar y set ddata). Mae mater tywyll hefyd yn helpu i esbonio sut y gall strwythurau cosmig—o alaethau i ffilamentau enfawr—ffurfio mor gyflym ag y gwelir.
Ymgeiswyr Mater Tywyll: O Ronynnau Newydd i Dyllau Du Cyntefig
Mae'r ddamcaniaeth mater tywyll fwyaf poblogaidd yn tybio ei fod yn fath o fater ar ffurf gronynnau nad ydym wedi'i ddarganfod eto mewn ffiseg gronynnau.
1. WIMP (Gronynnau Enfawr sy'n Rhyngweithio'n Wan)
Ar un adeg, ystyriwyd bod WIMPs yn ymgeiswyr blaenllaw oherwydd gallent ymddangos yn ddamcaniaethol mewn modelau estynedig o ffiseg gronynnau a chynhyrchu'r dwysedd cosmig "cywir" yn naturiol (a elwir yn aml yn "wyrth WIMP"). Fodd bynnag, mae amrywiol arbrofion canfod uniongyrchol (e.e., gan ddefnyddio synwyryddion tanddaearol) wedi methu â dod o hyd i signal argyhoeddiadol hyd yn hyn.
2. Axion
Mae'r echelin yn gronyn damcaniaethol a gynigiwyd yn wreiddiol i ddatrys problem yn theori rhyngweithiadau cryf (QCD). Gall echelinau fod yn ysgafn iawn ond eto'n niferus iawn, gan gyfrannu llawer iawn o gyfanswm màs a gweithredu fel mater tywyll "oer".
3. Niwtrinos di-haint
Yn wahanol i niwtrinos cyffredin, sy'n rhyngweithio'n wan, mae niwtrinos di-haint hyd yn oed yn anoddach i'w canfod. Os ydynt yn bresennol, gallant weithredu fel mater tywyll "cynnes", gan ddylanwadu ar ffurfio strwythur ar raddfa benodol.
4. Gwrthrychau MACHO a chryno
Mae ymgeiswyr fel planedau twyllodrus, sêr gwan, neu wrthrychau cryno eraill (MACHOs) wedi cael eu hystyried, ond mae arolygon microlensio yn awgrymu nad ydynt yn ddigon niferus i esbonio mater tywyll. Mae yna hefyd y syniad o dyllau du cyntefig (a ffurfiwyd yn y bydysawd cynnar iawn), ond mae cyfyngiadau arsylwadol yn ei gwneud hi'n anodd iddynt fod yr unig esboniad ar gyfer yr holl fater tywyll.
Dewis arall: Addasu Disgyrchiant (MOND a'i Ffrindiau)
Yn hytrach nag ychwanegu “mater anweledig”, mae rhai gwyddonwyr wedi awgrymu bod ein dealltwriaeth o ddisgyrchiant ar raddfa galaethol yn ddiffygiol. Mae damcaniaethau fel MOND (Dynameg Newtonaidd wedi'i Addasu) yn addasu deddfau Newton ar gyfer cyflymiadau bach iawn, gan ganiatáu i gromliniau cylchdro gael eu hesbonio heb fater tywyll.
Fodd bynnag, yr her fawr i theorïau disgyrchiant wedi'i addasu yw egluro'r holl dystiolaeth ar unwaith—yn enwedig ffenomenau fel y Clwstwr Bwled a chysondeb y CMB. Bu datblygiadau cymharol o MOND (e.e., TeVeS), ond hyd yn hyn, mae modelau mater tywyll wedi bod yn fwy "cyflawn" wrth ffitio'r data amrywiol.
Ynni Tywyll: Beth Yw E a Pam Yw'n cael ei Gredu ei Fodoli?
Cynigiwyd ynni tywyll i esbonio ehangu cyflymach y bydysawd. O fewn fframwaith perthnasedd cyffredinol, gellir achosi'r cyflymiad hwn gan gydran ynni â phwysau negyddol. Yn syml, po fwyaf o ynni tywyll sydd, y cyflymaf y mae gofod yn ehangu ar raddfa gosmig.
Mae'r prif dystiolaeth o ynni tywyll yn cynnwys:
– Mae uwchnofâu Math Ia yn gweithredu fel “canhwyllau safonol” ar gyfer mesur pellteroedd cosmig. Mae uwchnofâu pell yn ymddangos yn dywyllach nag a ddisgwylir os yw'r ehangu'n arafu.
– Mae'r osgiliadau acwstig CMB a baryon (BAO) yn darparu “pren mesur cosmig” ar gyfer olrhain hanes yr ehangu.
– Dosbarthiad strwythurau ar raddfa fawr sy'n sensitif i gyfraddau ehangu.
Damcaniaeth Ynni Tywyll: O'r Cysonyn Cosmolegol i'r Quintessence
1. Cysonyn Cosmolegol (Λ)
Yr esboniad symlaf yw cysonyn cosmolegol Einstein: ynni gwactod y mae ei ddwysedd yn aros yn gyson dros amser. Yn aml, ysgrifennir model safonol cosmoleg fodern fel ΛCDM, lle mae Λ yn ynni tywyll a CDM yn "fater tywyll oer". Mae'r model hwn yn hynod lwyddiannus wrth esbonio llawer o'r data.
Y broblem: pan fydd ffisegwyr yn ceisio cyfrifo'r ynni gwactod o theori cwantwm, mae'r canlyniadau'n llawer mwy na'r hyn a welir—gall y gwahaniaeth fod yn eithafol. Gelwir hyn yn broblem y cysonyn cosmolegol.
2. Quintessence
Yn y model hwn, nid yw ynni tywyll yn gysonyn, ond yn hytrach mae'n tarddu o faes sgalar deinamig sy'n newid dros amser. Mae hyn yn caniatáu i'r dwysedd ynni tywyll esblygu, a allai (mewn theori) leihau "rhyfeddod" y cysonyn cosmolegol. Fodd bynnag, rhaid dehongli'r model hwn yn ofalus er mwyn osgoi gwrth-ddweud data arsylwadol sy'n dangos ymddygiad ynni tywyll sy'n agos at gysonyn.
3. Ynni Tywyll “Rhith” a Pherthnasedd Addasedig
Mae modelau sy'n caniatáu i'r paramedr cyflwr ynni tywyll (w) fod yn llai na -1 (“ffantom”), a allai arwain at senarios eithafol fel y Big Rip. Mae yna hefyd ddulliau sy'n addasu damcaniaeth disgyrchiant ar raddfeydd mawr (e.e., disgyrchiant f(R)) fel bod cyflymiad yn ymddangos heb gydran ynni tywyll ar wahân.
Heriau a Chyfeiriadau Ymchwil yn y Dyfodol
Er bod y ΛCDM wedi dod yn fodel “safonol” o gosmoleg, mae llawer o gwestiynau sylfaenol yn parhau i fod ar agor:
– Beth yw hunaniaeth gronynnau mater tywyll? Pam nad ydyn nhw wedi cael eu canfod yn y labordy?
– A yw ynni tywyll yn gysonyn cosmolegol mewn gwirionedd? Neu a yw'n newid dros amser?
– Tensiwn Hubble: weithiau nid yw mesuriadau o gyfradd ehangu gyfredol y bydysawd (H0) o'r CMB ac o fesuriadau lleol yn cyfateb yn berffaith, gan godi'r posibilrwydd o ffiseg newydd.
Mae amryw o brosiectau arsylwadol ac arbrofol ar y gweill i fynd i'r afael â hyn: arolygon galaethau mawr, mesuriadau lensio disgyrchiant mwy manwl, synwyryddion gronynnau cenhedlaeth newydd, a mapio BAOs yn fwyfwy manwl. Mae datblygiadau cyfrifiadurol hefyd yn cynorthwyo efelychiadau o ffurfio strwythur cosmig, gan wahaniaethu rhwng senarios mater tywyll a dewisiadau eraill.
Cau
Mae mater tywyll ac egni tywyll yn ddau gysyniad allweddol sy'n llunio ein dealltwriaeth fodern o'r bydysawd. Mae mater tywyll yn "weladwy" yn bennaf trwy ei ddylanwad disgyrchiant ar alaethau a chlystyrau galaethau, tra bod egni tywyll wedi codi o'r angen i esbonio ehangu cyflymach y bydysawd. Er nad yw'r naill na'r llall wedi'i ddeall yn llawn, mae'r model ΛCDM, sy'n cyfuno'r ddau, wedi profi'n hynod lwyddiannus wrth baru llawer o arsylwadau.
Ond nid dyma ddiwedd y stori. Mewn gwirionedd, mae'r "tywyllwch" sy'n cuddio llawer o'r cosmos yn awgrymu bod haenau o ffiseg sylfaenol eto i'w darganfod. Wrth i dechnoleg arsylwadol fireinio ac wrth i arbrofion gronynnau ddod yn fwy sensitif, rydym yn agosáu at ateb cwestiynau mawr: a yw mater tywyll yn ronyn newydd, a yw ynni tywyll yn briodwedd o ofod gwag, neu a oes angen i ni adolygu ein dealltwriaeth o ddisgyrchiant ei hun.
