טעאָריעס וועגן טונקעלע ענערגיע און טונקעלע מאַטעריע
דער אוניווערס וואָס מיר באַאָבאַכטן—שטערנס, פּלאַנעטן, אינטערשטעלער גאַז און גאַלאַקסיעס—רעפּרעזענטירט בלויז אַ קליינעם טייל פֿון קאָסמאָס. זינטן שפּעטן 20סטן יאָרהונדערט, זענען קאָסמאָלאָגן מער און מער איבערצייגט געוואָרן אַז דער גרעסטער קאָמפּאָנענט פֿון אוניווערס איז טאַקע נישט קענטיק פֿאַר אונדז. צוויי טערמינען וואָס קומען אָפֿט אויף אין דער דיסקוסיע זענען טונקעלע מאַטעריע און טונקעלע ענערגיע. ביידע זענען "טונקעל" ווייל זיי שטראַלן נישט אויס, אַבזאָרבירן נישט אָדער רעפֿלעקטירן נישט ליכט אויף אַ וועג וואָס איז לייכט צו דעטעקטירן; אָבער, זייערע פֿאַרדעכטיקטע ראָלעס און אייגנשאַפֿטן זענען זייער אַנדערש. דער אַרטיקל דיסקוטירט די הויפּט טעאָריעס וועגן טונקעלע מאַטעריע און טונקעלע ענערגיע, די באַאָבאַכטונגס-באַווייזן וואָס שטיצן זיי, און די אַרויסרופֿונגען מיט וועלכע מאָדערנע וויסנשאַפֿט שטייט נאָך.
פארוואס דארפן מיר דעם קאנצעפט פון "פינסטערניש"?
אין קאָסמאָלאָגיע, מוזן טעאָריעס זיך צופּאַסן צו אָבסערוואַציאָנעלע דאַטן. ווען אַסטראָנאָמען מעסטן די ראָטאַציע גיכקייטן פון גאַלאַקסיעס, דעם וועג ווי זיי בייגן ליכט (גראַוויטאַציאָנעלע לענסינג), און די ראַדיאַציע פּאַטערנז וואָס זענען געבליבן פון דעם גרויסן קלאַפּ (קאָסמישער מיקראָוועוו הינטערגרונט/CMB), פֿאָרשלאָגן די רעזולטאַטן אַז עס איז "עפּעס" וואָס אויך השפּעה האָט אויף גראַוויטאַציע און די עוואָלוציע פון דעם אוניווערס. אָבער יענע "עפּעס" שיינט נישט צו זיין ליכטיקע מאַטעריע ווי שטערן.
אויף דער אנדערער האַנט, אויף אַ זייער גרויסן קאָסמישן מאָסשטאַב, האָבן אָבסערוואַציעס פון טיפּ Ia סופּערנאָוועס אין די שפּעטע 1990ער יאָרן אַנטפּלעקט אַן איבערראשנדיקן פאַקט: די יקספּאַנשאַן פון דעם אוניווערס פאַרלאַנגזאַמט זיך נישט, נאָר גיכער פאַרגיכערט. כּדי צו דערקלערן די פאַרגיכערונג, איז געווען נויטיק אַ קאָמפּאָנענט מיט נעגאַטיוון דרוק וואָס האָט געשטופּט צייט-רוים צו יקספּאַנדירן שנעלער און שנעלער. די קאָמפּאָנענט איז שפּעטער גערופן געוואָרן טונקעלע ענערגיע.
טונקעלע מאַטעריע: שליסל טעאָריעס און באַווייַזן
1. גאַלאַקסי ראָטאַציע קורווע
איינע פון די קלאַסישע באַווייזן פֿאַר טונקעלע מאַטעריע קומט פֿון מעסטונגען פֿון די ראָטאַציע קורוועס פֿון שפּיראַל גאַלאַקסיעס. לויט ניוטאָנישער גראַוויטאַציע, זאָל די גיכקייט פֿון שטערן וואָס דרייען זיך אַרום דעם צענטער פֿון אַ גאַלאַקסי פֿאַרקלענערן זיך מיטן פֿאַרגרעסערן די דיסטאַנץ פֿונעם צענטער. אָבער, מען באַמערקט דאָס פֿאַרקערטע: די גיכקייט טענדירט צו בלייבן הויך און "פֿלאַך" ווײַט אַרויס צום ברעג פֿון דער גאַלאַקסי. דאָס פֿאָרשלאָגט אַז עס איז דאָ נאָך מאַסע פֿאַרשפּרייט ברייט, וואָס שאַפֿט אַ טונקעלע מאַטעריע האַלאָ אַרום דער גאַלאַקסי.
2. גראַוויטאַציאָנעלע לינז
לויט דער אלגעמיינער רעלאטיוויטעט, בייגט מאַסע צייט-רוים, אַזוי ליכט וואָס גייט דורך לעבן אַ גרויסער מאַסע איז געבויגן. אין פילע קאָסמישע סיסטעמען (גאַלאַקסיע קלאַסטערס, איינציקע גאַלאַקסיעס), ווײַזן גראַוויטאַציאָנעלע לענסינג עפֿעקטן אויף אַ גרעסערע מאַסע ווי מען קען דערקלערן דורך ליכטיקע מאַטעריע. אַ באַרימטער בייַשפּיל איז דער קויל קלאַסטער, וואו די מאַסע פאַרשפּרייטונג (געפֿאָלגט דורך גראַוויטאַציאָנעלע לענסינג) איז אפגעטיילט פֿון דעם ליכטיקן הייסן גאַז (געזען אין X-שטראַלן). די דערשיינונג ווערט אָפֿט באַטראַכט ווי אַ שטאַרקע שטיצע פֿאַר דעם פֿאַקט אַז טונקעלע מאַטעריע איז אַן עכטער קאָמפּאָנענט, אַנשטאָט פשוט אַ פֿאַלשע פֿאַרשטענדעניש פֿון גראַוויטאַציע.
3. קאָסמישע הינטערגרונט ראַדיאַציע (CMB) און גרויס-מאָסשטאַביגע סטרוקטור
די CMB באַוואָרענט אַ "שפּור" פון באַדינגונגען אין דער פרי וועלט. קליינע פלוקטואַציע מוסטערן אין די CMB, ווען אַנאַליזירט, צושטעלן שאַצונגען פון דער צוזאַמענשטעלונג פון דעם קאָסמאָס. די רעזולטאַטן זענען קאָנסיסטענט מיט מאָדעלן וואָס פֿאָרשלאָגן אַז דער וועלט איז צוזאַמענגעשטעלט פון בערך ~5% געוויינטלעכע מאַטעריע, ~27% טונקעלע מאַטעריע, און ~68% טונקעלע ענערגיע (נומערן קענען אַ ביסל ווערייִרן דיפּענדינג אויף די דאַטאַסעט). טונקעלע מאַטעריע העלפֿט אויך דערקלערן ווי קאָסמישע סטרוקטורן - פון גאַלאַקסיעס ביז ריזיקע פֿילאַמענטן - קענען זיך פֿאָרמירן אַזוי שנעל ווי באמערקט.
טונקעלע מאַטעריע קאַנדידאַטן: פֿון נײַע פּאַרטיקלען ביז אור-שוואַרצע לעכער
די מערסט פּאָפּולערע טעאָריע פון טונקעלע מאַטעריע נעמט אָן אַז דאָס איז אַ פאָרעם פון מאַטעריע אין דער פאָרעם פון פּאַרטיקלען וואָס מיר האָבן נאָך נישט אַנטדעקט אין פּאַרטיקל פיזיק.
1. WIMP (שוואַך אינטעראַקטינג מאַסיווע פּאַרטיקלען)
WIMPs זענען אמאל באטראכט געווארן אלס פירנדע קאנדידאטן ווייל זיי קענען טעארעטיש דערשיינען אין פארברייטערטע מאדעלן פון טיילכעל פיזיק און נאטירלעך פראדוצירן די "ריכטיגע" קאסמישע געדיכטקייט (אפט גערופן דאס "WIMP נס"). אבער, פארשידענע דירעקטע דעטעקציע עקספערימענטן (למשל, ניצן אונטערערדישע דעטעקטארן) האבן ביז איצט נישט געקענט געפינען אן איבערצייגנדיקן סיגנאל.
2. אַקסיאָן
די אַקסיאָן איז אַ היפּאָטעטישע טיילכל וואָס איז אָריגינעל פֿאָרגעלייגט געוואָרן צו סאָלווען אַ פּראָבלעם אין דער טעאָריע פֿון שטאַרקע אינטעראַקציעס (QCD). אַקסיאָנס קענען זיין זייער ליכט אָבער זייער צאָלרײַך, אַזוי בײַשטײַערן אַ גרויסע מאָס פֿון גאַנצער מאַסע און אַקטיִרן ווי "קאַלטע" טונקעלע מאַטעריע.
3. סטערילע נעיטרינאָס
אנדערש ווי געווענלעכע, שוואַך אינטעראַקטירנדיקע נעיטרינאָס, זענען סטערילע נעיטרינאָס נאָך שווערער צו דעטעקטירן. אויב זיי זענען פאַראַן, קענען זיי אַקטירן ווי "וואַרעמע" טונקעלע מאַטעריע, און השפּעה האָבן אויף דער פאָרמירונג פון סטרוקטור אויף אַ ספּעציפֿישן מאָסשטאַב.
4. מאַטשאָ און קאָמפּאַקטע אָביעקטן
קאנדידאטן ווי אומגעווענליכע פלאנעטן, שוואכע שטערן, אדער אנדערע קאמפאקטע אביעקטן (MACHOs) זענען באטראכט געווארן, אבער מיקרא-לענסינג אנקעטעס ווייזן אז זיי זענען נישט גענוג צאלרייך צו דערקלערן טונקעלע מאטעריע. עס איז אויך דא די געדאנק פון אור-שווארצע לעכער (געשאפן אין דעם גאר פריען אוניווערס), אבער אבזערוואציאנעלע באגרענעצונגען מאכן זיי שווער צו זיין די איינציגע דערקלערונג פאר אלע טונקעלע מאטעריע.
אַלטערנאַטיוו: גראַוויטי מאָדיפיקאַציע (מאָנד און פריינט)
אנשטאט צולייגן "אומזעבארע מאטעריע", האבן עטלעכע וויסנשאפטלער פארגעשלאגן אז אונזער פארשטאנד פון גראוויטי אויף א גאלאקטישן פארנעם איז פעלערהאפט. טעאריעס ווי MOND (מאדיפיצירטע ניוטאנישע דינאמיק) מאדיפיצירן ניוטאנ'ס געזעצן פאר זייער קליינע פארשנעלערן, און דערמעגלעכן ראטאציע קורוועס צו ווערן דערקלערט אן טונקעלע מאטעריע.
אבער, די הויפט אויפגאבע פאר מאדיפיצירטע גראוויטי טעאריעס איז צו דערקלערן אלע באווייזן אויף איין מאל - ספעציעל פענאמענען ווי דער קויל קלאסטער און די קאנסיסטענץ פון די סי-עם-בי. עס זענען געווען רעלאטיוויסטישע אנטוויקלונגען פון מאנד (למשל, טע-ווע-עס), אבער ביז יעצט זענען טונקעלע מאטעריע מאדעלן געווען מער "פולשטענדיג" אין צופאסן די פארשידענע דאטן.
טונקעלע ענערגיע: וואָס איז עס און פארוואס ווערט עס געמיינט צו עקזיסטירן?
טונקעלע ענערגיע איז פארגעשטעלט געווארן צו דערקלערן די פארשנעלערטע אויסברייטונג פון דעם אוניווערס. אינעם ראם פון אלגעמיינע רעלאטיוויטעט, קען די פארשנעלערונג ווערן געפֿירט דורך אן ענערגיע קאמפאנענט מיט נעגאטיוון דרוק. פשוט געזאגט, וואס מער טונקעלע ענערגיע עס איז, אלץ שנעלער פארברייטערט זיך דער קאסמישער פלאץ אויף א קאסמישן פארנעם.
די הויפּט באַווייזן פֿאַר טונקעלע ענערגיע אַרייַננעמען:
– טיפ Ia סופּערנאָוועס דינען ווי "סטאַנדאַרט ליכט" פֿאַר מעסטן קאָסמישע דיסטאַנסן. ווײַטע סופּערנאָוועס דערשייַנען טונקעלער ווי געריכט אויב די יקספּאַנשאַן פאַרלאַנגזאַמט זיך.
– די CMB און באַריאָן אַקוסטישע אָסצילאַציעס (BAO) צושטעלן אַ "קאָסמישן הערשער" פֿאַר טראַקינג די יקספּאַנשאַן געשיכטע.
– פאַרשפּרייטונג פון גרויס-מאָסשטאַביגע סטרוקטורן וואָס זענען סענסיטיוו צו יקספּאַנשאַן ראַטעס.
טונקעלע ענערגיע טעאריע: פון דער קאסמאלאגישער קאנסטאנט ביז קווינטעסענס
1. קאָסמאָלאָגישע קאָנסטאַנטע (Λ)
די פשוטסטע דערקלערונג איז איינשטיינס קאסמאָלאָגישע קאָנסטאַנטע: אַ וואַקוום ענערגיע וועמענס געדיכטקייט בלייבט קאָנסטאַנט איבער צייט. דער סטאַנדאַרט מאָדעל פון מאָדערנער קאָסמאָלאָגיע ווערט אָפט געשריבן ווי ΛCDM, וואו Λ איז טונקעלע ענערגיע און CDM איז "קאַלטע טונקעלע מאַטעריע". דאָס מאָדעל איז באַמערקעוודיק געראָטן אין דערקלערן אַ סך פון די דאַטן.
די פראבלעם: ווען פיזיקער פרובירן צו רעכענען די וואקיום ענערגיע פון קוואנטום טעאריע, זענען די רעזולטאטן פיל גרעסער ווי וואס מען באמערקט—דער אונטערשייד קען זיין עקסטרעם. דאס איז באקאנט אלס די קאסמאלאגישע קאנסטאנטע פראבלעם.
2. קווינטעסענס
אין דעם מאָדעל, איז טונקעלע ענערגיע נישט קיין קאָנסטאַנט, נאָר שטאַמט פֿון אַ דינאַמישן סקאַלאַר פֿעלד וואָס ענדערט זיך מיט דער צייט. דאָס דערמעגלעכט די טונקעלע ענערגיע געדיכטקייט זיך צו אַנטוויקלען, וואָס קען (אין טעאָריע) רעדוצירן די "משונותקייט" פֿון דער קאָסמאָלאָגישער קאָנסטאַנט. אָבער, דאָס מאָדעל מוז פֿאָרזיכטיק אינטערפּרעטירט ווערן כּדי צו פֿאַרמייַדן קעגנזייַטיקע אָבסערוואַציאָנעלע דאַטן וואָס ווײַזן טונקעלע ענערגיע נאַטור נאָענט צו אַ קאָנסטאַנט.
3. "פאַנטאָם" טונקעלע ענערגיע און מאָדיפיצירטע רעלאַטיוויטעט
עס זענען דא מאָדעלן וואָס לאָזן דעם טונקעל-ענערגיע צושטאַנד פּאַראַמעטער (w) צו זיין קלענער ווי -1 ("פאַנטאָם"), וואָס קען פּאָטענציעל פירן צו עקסטרעמע סצענאַרן ווי דער גרויסער ריפּ. עס זענען אויך צוגאַנגען וואָס מאָדיפיצירן די טעאָריע פון גראַוויטאַציע אויף גרויסע וואָג (למשל, f(R) גראַוויטאַציע) אַזוי אַז אַקסעלעראַציע דערשיינט אָן אַ באַזונדער טונקעל-ענערגיע קאָמפּאָנענט.
אַרויסרופן און צוקונפֿטיקע פאָרשונג ריכטונגען
כאָטש די ΛCDM איז געוואָרן דער "סטאַנדאַרט" מאָדעל פון קאָסמאָלאָגיע, בלייבן פילע יסודותדיקע פֿראַגעס אָפֿן:
– וואָס איז די אידענטיטעט פון טונקעלע מאַטעריע פּאַרטיקלען? פארוואס זענען זיי נישט דעטעקטירט געוואָרן אין לאַבאָראַטאָריע?
– איז טונקעלע ענערגיע טאַקע אַ קאָסמאָלאָגישע קאָנסטאַנט? צי ענדערט עס זיך מיט דער צייט?
– האַבל שפּאַנונג: מעסטונגען פון דער איצטיקער יקספּאַנשאַן קורס פון דער וניווערס (H0) פון די CMB און פון לאָקאַלע מעסטונגען שטימען מאַנטשמאָל נישט פּערפעקט איבער, וואָס הייבט די מעגלעכקייט פון נייַער פיזיק.
פארשידענע אבזערוואציאנעלע און עקספערימענטאלע פראיעקטן זענען אין גאנג צו אדרעסירן דעם: גרויסע גאלאקסיע אויספארשונגען, מער גענויע גראוויטאציאנעלע לענסינג מעסטונגען, נייע-דור פארטיקל דעטעקטארן, און אלץ מער דעטאלירטע מאפעס פון BAOs. קאמפיוטערישע פארשריטן העלפן אויך סימולאציעס פון קאסמישער סטרוקטור פארמאציע, אונטערשיידנדיג צווישן טונקעלע מאטעריע סצענארן און אלטערנאטיוון.
קלאָוזינג
טונקעלע מאַטעריע און טונקעלע ענערגיע זענען צוויי שליסל קאָנצעפּטן וואָס פאָרמען אונדזער מאָדערנעם פארשטאנד פון דעם אוניווערס. טונקעלע מאַטעריע איז בפֿרט "זיך-באר" דורך איר גראַוויטאַציאָנעלן איינפלוס אויף גאַלאַקסיעס און גאַלאַקסיע קלאַסטערס, בשעת טונקעלע ענערגיע איז אַנטשטאַנען פון דער נויטווענדיקייט צו דערקלערן די אַקסעלערירנדיקע יקספּאַנשאַן פון דעם אוניווערס. כאָטש קיין איינס איז נישט גאָר פארשטאנען, האָט זיך דער ΛCDM מאָדעל, וואָס קאָמבינירט די צוויי, אַרויסגעוויזן באַזונדערס מצליח אין גלייכן פילע אָבסערוואַציעס.
אבער דער דערפאלג איז נישט דער סוף פון דער געשיכטע. אין פאַקט, די "פינסטערניש" וואָס באַהאַלט אַ גרויסן טייל פון קאָסמאָס רמז אז עס זענען נאָך שיכטן פון פונדאַמענטאַל פיזיק וואָס מען דאַרף נאָך אַנטדעקן. ווי אָבסערוואַציאָנעלע טעכנאָלאָגיע ווערט שאַרפער און טיילכעל עקספּערימענטן ווערן מער סענסיטיוו, קומען מיר נענטער צו ענטפֿערן גרויסע פֿראַגעס: איז טונקעלע מאַטעריע אַ נייַ טיילכעל, איז טונקעלע ענערגיע אַן אייגנשאַפט פון ליידיקן פּלאַץ, אָדער דאַרפֿן מיר איבערקוקן אונדזער פארשטאנד פון גראַוויטאַציע אַליין.
