Teorijas par tumšo enerģiju un tumšo matēriju
Visums, ko mēs novērojam — zvaigznes, planētas, starpzvaigžņu gāze un galaktikas —, pārstāv tikai nelielu daļu no kosmosa. Kopš 20. gadsimta beigām kosmologi arvien vairāk ir pārliecināti, ka lielākā Visuma sastāvdaļa mums patiesībā ir neredzama. Šajā diskusijā bieži rodas divi termini, ir tumšā matērija un tumšā enerģija. Abas ir “tumšas”, jo tās neizstaro, neabsorbē un neatstaro gaismu viegli atklājamā veidā; tomēr to iespējamās lomas un īpašības ir ļoti atšķirīgas. Šajā rakstā ir aplūkotas galvenās teorijas par tumšo matēriju un tumšo enerģiju, novērojumu pierādījumi, kas tās apstiprina, un izaicinājumi, ar kuriem joprojām saskaras mūsdienu zinātne.
Kāpēc mums ir nepieciešams “tumšības” jēdziens?
Kosmoloģijā teorijām ir jāsaskaņojas ar novērojumu datiem. Kad astronomi mēra galaktiku rotācijas ātrumus, veidu, kā tās liec gaismu (gravitācijas lēca), un starojuma modeļus, kas palikuši pāri no Lielā sprādziena (kosmiskais mikroviļņu fons/KMB), rezultāti liecina, ka pastāv "kaut kas", kas papildus ietekmē gravitāciju un Visuma evolūciju. Taču šis "kaut kas" nešķiet esam spīdoša matērija, piemēram, zvaigznes.
No otras puses, ļoti plašā kosmiskā mērogā Ia tipa supernovu novērojumi 1990. gs. deviņdesmito gadu beigās atklāja pārsteidzošu faktu: Visuma izplešanās nevis palēninās, bet gan paātrinās. Lai izskaidrotu šo paātrinājumu, bija nepieciešama komponente ar negatīvu spiedienu, kas spiestu laiktelpu izplesties arvien ātrāk. Šī komponente vēlāk tika nosaukta par tumšo enerģiju.
Tumšā matērija: galvenās teorijas un pierādījumi
1. Galaktikas rotācijas līkne
Viens no klasiskajiem pierādījumiem tumšās matērijas pastāvēšanai ir spirālveida galaktiku rotācijas līkņu mērījumi. Saskaņā ar Ņūtona gravitācijas teoriju, zvaigžņu, kas riņķo ap galaktikas centru, ātrumam vajadzētu samazināties, palielinoties attālumam no centra. Tomēr tiek novērots pretējais: ātrums mēdz palikt augsts un "vienmērīgs" tālu līdz galaktikas malai. Tas liecina, ka pastāv papildu masa, kas ir plaši izkliedēta, veidojot tumšās matērijas oreolu ap galaktiku.
2. Gravitācijas lēca
Pēc vispārējā relativitāte, masa saliec laiktelpu tā, ka gaisma, kas iet garām lielai masai, tiek saliekta. Daudzās kosmiskās sistēmās (galaktiku kopās, atsevišķās galaktikās) gravitācijas lēcas efekti norāda uz lielāku masas daudzumu, nekā var izskaidrot ar gaismas matēriju. Slavens piemērs ir Lodes kopa , kur masas sadalījums (izsekojams, izmantojot gravitācijas lēcu) ir atdalīts no gaismas karstās gāzes (redzams rentgena staros). Šī parādība bieži tiek uzskatīta par spēcīgu pierādījumu tam, ka tumšā matērija ir reāla sastāvdaļa, nevis tikai gravitācijas nepareizs priekšstats.
3. Kosmiskais fona starojums (KMB) un liela mēroga struktūra
KMB saglabā agrīnā Visuma apstākļu "pēdas". Analizējot sīkas KMB svārstību tendences, var iegūt kosmosa sastāva aplēses. Rezultāti atbilst modeļiem, kas liecina, ka Visumu veido aptuveni ~5% parastās matērijas, ~27% tumšās matērijas un ~68% tumšās enerģijas (skaitļi var nedaudz atšķirties atkarībā no datu kopas). Tumšā matērija arī palīdz izskaidrot, kā kosmiskās struktūras — no galaktikām līdz milzu pavedieniem — var veidoties tik ātri, kā novērots.
Tumšās matērijas kandidāti: no jaunām daļiņām līdz pirmatnējiem melnajiem caurumiem
Populārākā tumšās matērijas teorija pieņem, ka tā ir matērijas forma daļiņu veidā, ko mēs vēl neesam atklājuši daļiņu fizikā.
1. WIMP (vāji mijiedarbojošas masīvas daļiņas)
WIMP kādreiz bija vadošais kandidāts, jo teorētiski tie varēja parādīties paplašinošos modeļos. daļiņu fizika un dabiski rada “pareizo” kosmisko blīvumu (bieži sauktu par “WIMP brīnumu”). Tomēr dažādos tiešās noteikšanas eksperimentos (piemēram, izmantojot pazemes detektorus) līdz šim nav izdevies atrast pārliecinošu signālu.
2. Aksions
Aksions ir hipotētiska daļiņa, kas sākotnēji tika piedāvāta, lai atrisinātu problēmu spēcīgās mijiedarbības teorijā (QCD). Aksioni var būt ļoti viegli, tomēr ļoti daudzi, tādējādi veidojot lielu kopējo masu un darbojoties kā "aukstā" tumšā matērija.
3. Sterili neitrīno
Atšķirībā no parastajiem, vāji mijiedarbojošajiem neitrīno, sterilos neitrīno ir vēl grūtāk atklāt. Ja tie ir klāt, tie var darboties kā "silta" tumšā matērija, ietekmējot struktūras veidošanos noteiktā mērogā.
4. MACHO un kompakti objekti
Ir apsvērti tādi kandidāti kā negodīgas planētas, vājas zvaigznes vai citi kompakti objekti (MACHO), taču mikrolēcu pētījumi liecina, ka to skaits nav pietiekams, lai izskaidrotu tumšo matēriju. Pastāv arī ideja par pirmatnējiem melnajiem caurumiem (kas izveidojās ļoti agrīnajā Visumā), taču novērojumu ierobežojumi apgrūtina to izmantošanu kā vienīgo visas tumšās matērijas izskaidrojumu.
Alternatīva: Gravitācijas modifikācija (MOND un draugi)
Tā vietā, lai pievienotu "neredzamo matēriju", daži zinātnieki ir izvirzījuši apgalvojumu, ka mūsu izpratne par gravitāciju galaktikas mērogā ir kļūdaina. Tādas teorijas kā MOND (Modificētā Ņūtona dinamika) modificē Ņūtona likumus ļoti maziem paātrinājumiem, ļaujot rotācijas līknes izskaidrot bez tumšās matērijas.
Tomēr modificēto gravitācijas teoriju galvenais izaicinājums ir visu pierādījumu vienlaicīga izskaidrošana, īpaši tādu parādību kā Lodes kopas un KMB konsekvences. Ir bijušas MOND relatīvistiskas izstrādes (piemēram, TeVeS), taču līdz šim tumšās matērijas modeļi ir bijuši "pilnīgāki" dažādu datu pielāgošanā.
Tumšā enerģija: kas tā ir un kāpēc tiek uzskatīts, ka tā pastāv?
Ir ierosināts, ka tumšā enerģija izskaidro Visuma paātrināto izplešanos. Vispārējās relativitātes teorijas ietvaros šo paātrinājumu var izraisīt enerģijas komponents ar negatīvu spiedienu. Vienkārši sakot, jo vairāk tumšās enerģijas, jo ātrāk telpa izplešas kosmiskā mērogā.
Galvenie pierādījumi par tumšās enerģijas esamību ir šādi:
– Ia tipa supernovas kalpo kā “standarta sveces” kosmisko attālumu mērīšanai. Tālās supernovas izskatās blāvākas nekā paredzēts, ja izplešanās palēninās.
– KMB un barionu akustiskās svārstības (BAO) nodrošina “kosmisko lineālu” izplešanās vēstures izsekošanai.
– Liela mēroga struktūru izplatība, kas ir jutīgas pret izplešanās ātrumiem.
Tumšās enerģijas teorija : no kosmoloģiskās konstantes līdz kvintesencei
1. Kosmoloģiskā konstante (Λ)
Vienkāršākais skaidrojums ir Einšteina kosmoloģiskā konstante: vakuuma enerģija, kuras blīvums laika gaitā paliek nemainīgs. Mūsdienu kosmoloģijas standarta modeli bieži rakstāt kā ΛCDM, kur Λ ir tumšā enerģija un CDM ir “aukstā tumšā matērija”. Šis modelis ievērojami veiksmīgi izskaidro lielu daļu datu.
Problēma: kad fiziķi mēģina aprēķināt vakuuma enerģiju no kvantu teorijas, rezultāti ir daudz lielāki nekā novērotais — atšķirība var būt ārkārtēja. To sauc par kosmoloģiskās konstantes problēmu.
2.Kvintesence
Šajā modelī tumšā enerģija nav konstante, bet gan rodas no dinamiska skalāra lauka, kas laika gaitā mainās. Tas ļauj tumšās enerģijas blīvumam attīstīties, kas (teorētiski) varētu samazināt kosmoloģiskās konstantes "dīvainību". Tomēr šis modelis ir rūpīgi jāinterpretē, lai izvairītos no pretrunīgiem novērojumu datiem, kas parāda tumšās enerģijas uzvedību tuvu konstantei.
3. “Fantoma” tumšā enerģija un modificētā relativitāte
Ir modeļi, kas pieļauj tumšās enerģijas stāvokļa parametru (w) mazāku par -1 (“fantomu”), kas potenciāli var novest pie ekstremāliem scenārijiem, piemēram, Lielās plaisas. Pastāv arī pieejas, kas modificē gravitācijas teoriju lielos mērogos (piemēram, f(R) gravitācija), lai paātrinājums parādītos bez atsevišķas tumšās enerģijas komponentes.
Izaicinājumi un turpmākie pētījumu virzieni
Lai gan ΛCDM ir kļuvis par kosmoloģijas “standarta” modeli, daudzi fundamentāli jautājumi joprojām ir atklāti:
– Kāda ir tumšās matērijas daļiņu identitāte? Kāpēc tās nav atklātas laboratorijā?
– Vai tumšā enerģija tiešām ir kosmoloģiska konstante? Vai arī tā laika gaitā mainās?
– Habla spriegums: Visuma pašreizējā izplešanās ātruma (H0) mērījumi no KMB un lokālajiem mērījumiem dažreiz pilnībā nesakrīt, radot iespēju, ka varētu rasties jauna fizika.
Lai risinātu šo problēmu, tiek īstenoti dažādi novērošanas un eksperimentāli projekti: lielu galaktiku apsekojumi, precīzāki gravitācijas lēcu mērījumi, jaunākās paaudzes daļiņu detektori un arvien detalizētāka BAO kartēšana. Skaitļošanas sasniegumi arī palīdz kosmiskās struktūras veidošanās simulācijās, nošķirot tumšās matērijas scenārijus no alternatīvām.
Pennutup
Tumšā matērija un tumšā enerģija ir divi galvenie jēdzieni, kas veido mūsu mūsdienu izpratni par Visumu. Tumšā matērija galvenokārt ir "redzama" tās gravitācijas ietekmes uz galaktikām un galaktiku kopām dēļ, savukārt tumšā enerģija radās no nepieciešamības izskaidrot Visuma paātrināto izplešanos. Lai gan neviens no tiem nav pilnībā izprasts, ΛCDM modelis, kas apvieno abus, ir izrādījies ievērojami veiksmīgs daudzu novērojumu saskaņošanā.
Taču šie panākumi nav stāsta beigas. Patiesībā "tumsa", kas klāj lielu daļu kosmosa, norāda, ka joprojām ir jāatklāj fundamentālās fizikas slāņi. Attīstoties novērošanas tehnoloģijām un daļiņu eksperimentiem kļūstot jutīgākiem, mēs tuvojamies atbildēm uz lieliem jautājumiem: vai tumšā matērija ir jauna daļiņa, vai tumšā enerģija ir tukšas telpas īpašība, vai arī mums ir jāpārskata sava izpratne par pašu gravitāciju.
