இருண்ட ஆற்றல் மற்றும் இருண்ட பொருள் பற்றிய கோட்பாடுகள்
நாம் காணும் பிரபஞ்சம்—நட்சத்திரங்கள், கோள்கள், விண்மீன்களுக்கு இடையேயான வாயு மற்றும் விண்மீன் திரள்கள்—பிரபஞ்சத்தின் ஒரு சிறிய பகுதியை மட்டுமே பிரதிபலிக்கிறது. 20 ஆம் நூற்றாண்டின் பிற்பகுதியிலிருந்து, பிரபஞ்சத்தின் மிகப்பெரிய கூறு உண்மையில் நமக்குக் கண்ணுக்குப் புலப்படாதது என்று அண்டவியல் அறிஞர்கள் அதிகளவில் நம்பத் தொடங்கியுள்ளனர். இந்த விவாதத்தில் அடிக்கடி எழும் இரண்டு சொற்கள் கரும்பொருள் மற்றும் கரும் ஆற்றல் ஆகும். இவை இரண்டும் எளிதில் கண்டறியக்கூடிய வகையில் ஒளியை உமிழவோ, உறிஞ்சவோ அல்லது பிரதிபலிக்கவோ செய்யாததால் "கருமையானவை" என்று அழைக்கப்படுகின்றன; இருப்பினும், அவற்றின் சந்தேகிக்கப்படும் பங்களிப்புகளும் பண்புகளும் மிகவும் வேறுபட்டவை. இந்தக் கட்டுரை கரும்பொருள் மற்றும் கரும் ஆற்றல் பற்றிய முக்கிய கோட்பாடுகள், அவற்றை ஆதரிக்கும் கண்காணிப்புச் சான்றுகள் மற்றும் நவீன அறிவியல் இன்னும் எதிர்கொள்ளும் சவால்கள் குறித்து விவாதிக்கிறது.
‘இருள்’ எனும் கருத்து நமக்கு ஏன் தேவைப்படுகிறது?
அண்டவியலில், கோட்பாடுகள் உற்றுநோக்கல் தரவுகளுடன் ஒத்துப்போக வேண்டும். வானியலாளர்கள் விண்மீன் திரள்களின் சுழற்சி வேகங்களையும், அவை ஒளியை வளைக்கும் விதத்தையும் (ஈர்ப்பு வளைவு), மற்றும் பெருவெடிப்பிலிருந்து எஞ்சியிருக்கும் கதிர்வீச்சு வடிவங்களையும் (அண்ட நுண்ணலை பின்னணி/சி.எம்.பி) அளவிடும்போது, ஈர்ப்பு விசையையும் பிரபஞ்சத்தின் பரிணாம வளர்ச்சியையும் கூடுதலாகப் பாதிக்கும் 'ஏதோ ஒன்று' இருப்பதாக முடிவுகள் தெரிவிக்கின்றன. ஆனால் அந்த 'ஏதோ ஒன்று', நட்சத்திரங்கள் போன்ற ஒளிரும் பொருளாகத் தோன்றவில்லை.
மறுபுறம், மிகப் பெரிய அண்ட அளவில், 1990-களின் பிற்பகுதியில் மேற்கொள்ளப்பட்ட வகை Ia சூப்பர்நோவாக்களின் அவதானிப்புகள் ஒரு வியப்பான உண்மையை வெளிப்படுத்தின: பிரபஞ்சத்தின் விரிவாக்கம் வேகம் குறையவில்லை, மாறாக முடுக்கிவிடப்படுகிறது. இந்த முடுக்கத்தை விளக்க, வெளி-காலத்தை மேலும் மேலும் வேகமாக விரிவடையச் செய்யும் ஒரு எதிர்மறை அழுத்தக் கூறு தேவைப்பட்டது. இந்தக் கூறு பின்னர் கரும் ஆற்றல் எனப் பெயரிடப்பட்டது.
இருண்ட பொருள்: முக்கிய கோட்பாடுகள் மற்றும் சான்றுகள்
1. விண்மீன் மண்டல சுழற்சி வளைவு
கரும்பொருளுக்கான செவ்வியல் சான்றுகளில் ஒன்று, சுருள் விண்மீன் திரள்களின் சுழற்சி வளைவுகளின் அளவீடுகளிலிருந்து கிடைக்கிறது. நியூட்டனின் ஈர்ப்பு விதியின்படி, ஒரு விண்மீன் திரளின் மையத்தைச் சுற்றி வரும் நட்சத்திரங்களின் வேகம், மையத்திலிருந்து தூரம் அதிகரிக்க அதிகரிக்கக் குறைய வேண்டும். இருப்பினும், இதற்கு நேர்மாறாகக் காணப்படுகிறது: விண்மீன் திரளின் விளிம்பு வரை வெகு தொலைவில், வேகம் அதிகமாகவும் "சமதளமாகவும்" இருக்க முனைகிறது. இது, விண்மீன் திரளைச் சுற்றி ஒரு கரும்பொருள் ஒளிவட்டத்தை உருவாக்கும் வகையில், பரவலாகப் பரவியுள்ள கூடுதல் நிறை இருப்பதைக் காட்டுகிறது.
2. ஈர்ப்பு லென்ஸ்
படி பொது சார்பியல்நிறை, வெளி-நேரத்தை வளைக்கிறது, அதனால் ஒரு பெரிய நிறையின் அருகே செல்லும் ஒளியும் வளைக்கப்படுகிறது. பல அண்ட அமைப்புகளில் (விண்மீன் திரள் கொத்துகள், ஒற்றை விண்மீன் திரள்கள்), ஈர்ப்பு வளைவு விளைவுகள், ஒளிரும் பொருளால் விளக்கக்கூடியதை விட அதிக அளவு நிறை இருப்பதைக் காட்டுகின்றன. இதற்கு ஒரு பிரபலமான உதாரணம் புல்லட் கொத்து ஆகும், அங்கு (ஈர்ப்பு வளைவு மூலம் கண்டறியப்பட்ட) நிறை பரவலானது, (எக்ஸ்-கதிர்களில் காணப்படும்) ஒளிரும் சூடான வாயுவிலிருந்து பிரிக்கப்பட்டுள்ளது. இந்த நிகழ்வு, கருப்புப் பொருள் என்பது ஈர்ப்பு விசையின் ஒரு தவறான கருத்து மட்டுமல்ல, அது ஒரு உண்மையான கூறு என்பதற்கு வலுவான ஆதாரமாகக் கருதப்படுகிறது.
3. அண்டப் பின்னணிக் கதிர்வீச்சு (CMB) மற்றும் பேரளவு கட்டமைப்பு
CMB ஆனது, தொடக்ககாலப் பிரபஞ்சத்தின் நிலைமைகளின் ஒரு “சுவடை”ப் பாதுகாக்கிறது. CMB-இல் உள்ள மிகச்சிறிய ஏற்ற இறக்க வடிவங்களைப் பகுப்பாய்வு செய்யும்போது, அவை அண்டத்தின் அமைப்பைப் பற்றிய மதிப்பீடுகளை வழங்குகின்றன. இந்த முடிவுகள், பிரபஞ்சமானது தோராயமாக ~5% சாதாரணப் பொருள், ~27% கரும்பொருள், மற்றும் ~68% கரும் ஆற்றல் ஆகியவற்றால் ஆனது என்று கூறும் மாதிரிகளுடன் ஒத்துப்போகின்றன (தரவுத்தொகுப்பைப் பொறுத்து எண்கள் சற்றே மாறுபடலாம்). விண்மீன் திரள்கள் முதல் மாபெரும் இழைகள் வரையிலான அண்டக் கட்டமைப்புகள், காணப்பட்ட வேகத்தில் எவ்வாறு உருவாக முடியும் என்பதை விளக்குவதற்கும் கரும்பொருள் உதவுகிறது.
இருண்ட பொருள் வேட்பாளர்கள்: புதிய துகள்கள் முதல் ஆதி கருந்துளைகள் வரை
மிகவும் பிரபலமான கரும்பொருள் கோட்பாடு, அது துகள் இயற்பியலில் நாம் இன்னும் கண்டறியாத, துகள்களின் வடிவிலான ஒருவகை பொருள் என்று கருதுகிறது.
1. WIMP (பலவீனமாக இடைவினைபுரியும் பாரிய துகள்கள்)
WIMP-கள் ஒரு காலத்தில் முன்னணி தேர்வாக இருந்தன, ஏனெனில் அவை கோட்பாட்டு ரீதியாக விரிவடையும் மாதிரிகளில் தோன்றக்கூடும். துகள் இயற்பியல் மேலும் இயற்கையாகவே “சரியான” அண்ட அடர்த்தியை உருவாக்குகிறது (இது பெரும்பாலும் “WIMP அதிசயம்” என்று அழைக்கப்படுகிறது). இருப்பினும், பல்வேறு நேரடி கண்டறிதல் சோதனைகள் (எ.கா., நிலத்தடி கண்டறிப்பான்களைப் பயன்படுத்துதல்) இதுவரை ஒரு நம்பகமான சமிக்ஞையைக் கண்டறியத் தவறிவிட்டன.
2. ஆக்சியன்
ஆக்சியான் என்பது வலிமையான இடைவினைகளின் கோட்பாட்டில் (QCD) உள்ள ஒரு சிக்கலைத் தீர்ப்பதற்காக முதலில் முன்மொழியப்பட்ட ஒரு கருதுகோள் துகள் ஆகும். ஆக்சியான்கள் மிகவும் இலேசானவையாகவும் அதே சமயம் மிக அதிக எண்ணிக்கையிலும் இருக்க முடியும். இதனால், அவை மொத்த நிறையில் பெரும் பங்களிப்பைச் செய்து, "குளிர்" இருண்ட பொருளாகச் செயல்படுகின்றன.
3. மலட்டு நியூட்ரினோக்கள்
சாதாரண, பலவீனமாக இடைவினைபுரியும் நியூட்ரினோக்களைப் போலல்லாமல், ஸ்டெரைல் நியூட்ரினோக்களைக் கண்டறிவது இன்னும் கடினம். அவை இருக்கும்பட்சத்தில், ஒரு குறிப்பிட்ட அளவில் கட்டமைப்புகள் உருவாவதில் செல்வாக்கு செலுத்தும் வகையில், "வெப்பமான" இருண்ட பொருளாகச் செயல்படக்கூடும்.
4. MACHO மற்றும் கச்சிதமான பொருள்கள்
அலைந்து திரியும் கோள்கள், மங்கலான நட்சத்திரங்கள் அல்லது பிற அடர்த்தியான பொருள்கள் (MACHOs) போன்ற சாத்தியக்கூறுகள் பரிசீலிக்கப்பட்டுள்ளன, ஆனால் நுண்வில்லை ஆய்வுகள், கரும்பொருளை விளக்குவதற்கு அவை போதுமான எண்ணிக்கையில் இல்லை என்று குறிப்பிடுகின்றன. ஆதி கருந்துளைகள் (பிரபஞ்சத்தின் மிக ஆரம்பகாலத்தில் உருவானவை) என்ற கருத்தும் உள்ளது, ஆனால் கண்காணிப்பு வரம்புகள் காரணமாக, அனைத்து கரும்பொருளுக்கும் அவற்றை மட்டுமே ஒரே விளக்கமாகக் கூறுவது கடினமாகிறது.
மாற்று: ஈர்ப்பு விசை மாற்றம் (MOND மற்றும் அதன் நண்பர்கள்)
"கண்ணுக்குப் புலப்படாத பொருளை" சேர்ப்பதற்குப் பதிலாக, விண்மீன் மண்டல அளவில் ஈர்ப்பு விசை குறித்த நமது புரிதல் குறைபாடுடையது என்று சில விஞ்ஞானிகள் முன்மொழிந்துள்ளனர். MOND (மாற்றியமைக்கப்பட்ட நியூட்டனின் இயக்கவியல்) போன்ற கோட்பாடுகள், மிகச் சிறிய முடுக்கங்களுக்காக நியூட்டனின் விதிகளை மாற்றியமைத்து, கரும்பொருள் இல்லாமலேயே சுழற்சி வளைவுகளை விளக்க வழிவகை செய்கின்றன.
இருப்பினும், மாற்றியமைக்கப்பட்ட ஈர்ப்பு விசை கோட்பாடுகளுக்கான முக்கிய சவால், அனைத்து சான்றுகளையும் ஒரே நேரத்தில் விளக்குவதே ஆகும்—குறிப்பாக புல்லட் கிளஸ்டர் போன்ற நிகழ்வுகளையும், CMB-யின் நிலைத்தன்மையையும் விளக்குவது. MOND-இல் சார்பியல் மேம்பாடுகள் (எ.கா., TeVeS) ஏற்பட்டுள்ளன, ஆனால் இதுவரை, இருண்ட பொருள் மாதிரிகளே பல்வேறு தரவுகளுக்குப் பொருந்துவதில் மிகவும் "முழுமையானவையாக" இருந்துள்ளன.
இருண்ட ஆற்றல்: அது என்ன மற்றும் அது ஏன் இருப்பதாகக் கருதப்படுகிறது?
பிரபஞ்சத்தின் முடுக்கிவிடப்பட்ட விரிவாக்கத்தை விளக்க, கரும் ஆற்றல் முன்மொழியப்பட்டுள்ளது. பொது சார்பியல் கோட்பாட்டின்படி, இந்த முடுக்கமானது எதிர்மறை அழுத்தம் கொண்ட ஒரு ஆற்றல் கூறினால் ஏற்படலாம். எளிமையாகச் சொன்னால், கரும் ஆற்றல் எந்தளவுக்கு அதிகமாக இருக்கிறதோ, அந்தளவுக்கு அண்ட அளவில் வெளி வேகமாக விரிவடைகிறது.
இருண்ட ஆற்றலுக்கான முக்கிய சான்றுகள் பின்வருமாறு:
வகை Ia சூப்பர்நோவாக்கள், அண்டத் தொலைவுகளை அளவிடுவதற்கான “தரநிலைக் குறிப்பான்களாக” செயல்படுகின்றன. விரிவடைதல் வேகம் குறையும்போது, தொலைவில் உள்ள சூப்பர்நோவாக்கள் எதிர்பார்த்ததை விட மங்கலாகத் தோன்றும்.
– CMB மற்றும் பேரியான் ஒலி அலைவுகள் (BAO) ஆகியவை, விரிவாக்க வரலாற்றைக் கண்காணிப்பதற்கு ஒரு “பிரபஞ்ச அளவுகோலை” வழங்குகின்றன.
– விரிவாக்க விகிதங்களுக்கு உணர்திறன் கொண்ட பெரிய அளவிலான கட்டமைப்புகளின் பரவல்.
இருண்ட ஆற்றல் கோட்பாடு : அண்டவியல் மாறிலியிலிருந்து சாராம்சம் வரை
1. அண்டவியல் மாறிலி (Λ)
இதற்கான எளிய விளக்கம் ஐன்ஸ்டீனின் அண்டவியல் மாறிலி ஆகும்: இது காலப்போக்கில் அடர்த்தி மாறாமல் இருக்கும் ஒரு வெற்றிட ஆற்றலாகும். நவீன அண்டவியலின் தரநிலை மாதிரி பெரும்பாலும் ΛCDM என எழுதப்படுகிறது, இதில் Λ என்பது கரும் ஆற்றல் மற்றும் CDM என்பது “குளிர் கரும்பொருள்” ஆகும். இந்த மாதிரி பெரும்பாலான தரவுகளை விளக்குவதில் குறிப்பிடத்தக்க வெற்றியைப் பெற்றுள்ளது.
சிக்கல் என்னவென்றால்: இயற்பியலாளர்கள் குவாண்டம் கோட்பாட்டிலிருந்து வெற்றிட ஆற்றலைக் கணக்கிட முயற்சிக்கும்போது, அதன் முடிவுகள் உற்றுநோக்கப்பட்டதை விட மிக அதிகமாக இருக்கின்றன—இந்த வேறுபாடு மிகக் கடுமையாக இருக்கலாம். இது அண்டவியல் மாறிலிச் சிக்கல் என்று அழைக்கப்படுகிறது.
2. குயின்டெசென்ஸ்
இந்த மாதிரியில், கரும் ஆற்றல் ஒரு மாறிலி அல்ல, மாறாக அது காலப்போக்கில் மாறும் ஒரு இயங்குநிலை ஸ்கேலார் புலத்திலிருந்து உருவாகிறது. இது கரும் ஆற்றல் அடர்த்தி பரிணமிக்க அனுமதிக்கிறது, இது (கோட்பாட்டளவில்) அண்டவியல் மாறிலியின் "விசித்திரத்தன்மையை" குறைக்கக்கூடும். இருப்பினும், கரும் ஆற்றலின் நடத்தை ஒரு மாறிலிக்கு அருகில் இருப்பதைக் காட்டும் கண்காணிப்புத் தரவுகளுடன் முரண்படுவதைத் தவிர்க்க, இந்த மாதிரியை கவனமாகப் புரிந்துகொள்ள வேண்டும்.
3. “மாய” இருண்ட ஆற்றல் மற்றும் மாற்றியமைக்கப்பட்ட சார்பியல்
இருண்ட ஆற்றல் நிலை அளவுரு (w) -1 ஐ விடச் சிறியதாக (“மாய”) இருக்க அனுமதிக்கும் மாதிரிகள் உள்ளன, இது பெருவெடிப்பு போன்ற தீவிர நிகழ்வுகளுக்கு வழிவகுக்கக்கூடும். மேலும், பெரிய அளவுகளில் ஈர்ப்பு விசைக் கோட்பாட்டை (எ.கா., f(R) ஈர்ப்பு விசை) மாற்றியமைக்கும் அணுகுமுறைகளும் உள்ளன, இதன் மூலம் ஒரு தனி இருண்ட ஆற்றல் கூறு இல்லாமல் முடுக்கம் தோன்றும்.
சவால்கள் மற்றும் எதிர்கால ஆராய்ச்சி திசைகள்
ΛCDM அண்டவியலின் “தரமான” மாதிரியாக மாறியிருந்தாலும், பல அடிப்படைக் கேள்விகள் விடை காணப்படாமல் உள்ளன:
கருப்புப் பொருள் துகள்கள் என்றால் என்ன? அவை ஏன் ஆய்வகத்தில் கண்டறியப்படவில்லை?
இருண்ட ஆற்றல் உண்மையிலேயே ஒரு அண்டவியல் மாறிலியா? அல்லது அது காலப்போக்கில் மாறுமா?
– ஹப்பிள் முரண்பாடு: CMB மற்றும் உள்ளூர் அளவீடுகளிலிருந்து பெறப்படும் பிரபஞ்சத்தின் தற்போதைய விரிவாக்க வீதத்தின் (H0) அளவீடுகள் சில நேரங்களில் முழுமையாகப் பொருந்துவதில்லை, இது புதிய இயற்பியலுக்கான சாத்தியக்கூறை எழுப்புகிறது.
இதற்குத் தீர்வு காணும் வகையில் பல்வேறு கண்காணிப்பு மற்றும் சோதனைத் திட்டங்கள் நடைபெற்று வருகின்றன: பெரிய விண்மீன் திரள் ஆய்வுகள், மிகவும் துல்லியமான ஈர்ப்பு வளைவு அளவீடுகள், புதிய தலைமுறை துகள் கண்டறிவான்கள், மற்றும் BAO-க்களின் மேலும் விரிவான வரைபடமாக்கல் ஆகியவை இதில் அடங்கும். கணக்கீட்டு முன்னேற்றங்கள், அண்டக் கட்டமைப்பு உருவாக்கத்தின் உருவகப்படுத்துதல்களுக்கும், கரும்பொருள் சாத்தியக்கூறுகளுக்கும் மாற்றுக்களுக்கும் இடையில் வேறுபடுத்துவதற்கும் உதவுகின்றன.
மூடுகிறது
கரும்பொருள் மற்றும் கரும் ஆற்றல் ஆகியவை பிரபஞ்சத்தைப் பற்றிய நமது நவீன புரிதலை வடிவமைக்கும் இரண்டு முக்கியக் கருத்துருக்கள் ஆகும். கரும்பொருளானது, விண்மீன் திரள்கள் மற்றும் விண்மீன் திரள் கொத்துகள் மீதான அதன் ஈர்ப்பு விசையின் தாக்கத்தின் மூலம் முதன்மையாகக் 'காணப்படுகிறது', அதேசமயம் பிரபஞ்சத்தின் முடுக்கிவிடப்பட்ட விரிவாக்கத்தை விளக்க வேண்டிய தேவையிலிருந்து கரும் ஆற்றல் உருவானது. இவை இரண்டுமே முழுமையாகப் புரிந்துகொள்ளப்படவில்லை என்றாலும், இவ்விரண்டையும் இணைக்கும் ΛCDM மாதிரியானது, பல அவதானிப்புகளுடன் பொருந்துவதில் குறிப்பிடத்தக்க வெற்றியைப் பெற்றுள்ளது.
ஆனால் இந்த வெற்றி கதையின் முடிவல்ல. உண்மையில், பிரபஞ்சத்தின் பெரும்பகுதியை மூடியிருக்கும் "இருள்", அடிப்படை இயற்பியலில் இன்னும் கண்டறியப்படாத பல அடுக்குகள் உள்ளன என்பதைச் சுட்டிக்காட்டுகிறது. கண்காணிப்புத் தொழில்நுட்பம் கூர்மையடைந்து, துகள் சோதனைகள் அதிக உணர்திறன் மிக்கதாக மாறும்போது, நாம் பெரிய கேள்விகளுக்குப் பதிலளிப்பதற்கு நெருங்கி வருகிறோம்: கரும்பொருள் ஒரு புதிய துகளா, கரு ஆற்றல் என்பது வெற்றிடத்தின் ஒரு பண்பா, அல்லது ஈர்ப்பு விசை பற்றிய நமது புரிதலையே நாம் மறுபரிசீலனை செய்ய வேண்டுமா?
