A nagy léptékű struktúra fejlődése az univerzumban, a korai, egységes állapottól a ma ismert klaszterbe eső univerzumig. A sötét anyag típusa és bősége meglehetősen eltérő Univerzumot hozna létre, ha megváltoztatnánk azt, amit Világegyetemünk rendelkezik. (Angulo et al., 2008, a Durhami Egyetemen keresztül)

Csak a sötét anyag (és nem módosított gravitáció) magyarázhatja az univerzumot

A „sötét anyag nélkül” táborból sok nyilvános támogatója volt, akik sok nép figyelmét felvetették. De az Univerzumnak még mindig szükség van sötét anyagra. Itt van miért.

Ha átnézte az összes világegyetem galaxisát, megmérte, ahol az összes észlelt anyag megtalálható, és felvázolja, hogy ezek a galaxisok hogyan mozognak, akkor eléggé zavartnak találja magát. Míg a Naprendszerben a bolygók csökkenõ sebességgel keringnek a Nap körül, minél távolabb vannak a központtól - ahogyan a gravitációs törvény megjósolja - a galaktikus központ körüli csillagok nem tesznek ilyen dolgot. Annak ellenére, hogy a tömeg a középső dudor felé koncentrálódik és egy síkszerű korongban van, a galaxis külső régióiban lévő csillagok ugyanolyan sebességgel korbácsolják körülötte, mint a belső régiókban, megtévesztve az előrejelzéseket. Nyilvánvalóan hiányzik valami. Két megoldás merül fel: vagy vagy van valamiféle láthatatlan tömeg, ami felveti a hiányt, vagy módosítanunk kell a gravitációs törvényeket, ahogyan tettük, amikor Newtonból Einsteinbe indultunk. Noha ezek a lehetőségek ésszerűnek tűnnek, a sötét anyagként ismert, láthatatlan tömeges magyarázat messze távol van a kiválóbb megoldástól. Itt van miért.

Az egyes galaxisok elvileg megmagyarázhatók akár sötét anyaggal, akár a gravitáció megváltoztatásával, ám ezek nem a legjobb bizonyítékok arra, hogy mi van az Univerzumból, vagy hogy hogyan alakult ki a mai állapotban. (Stefania.deluca a Wikimedia Commonsból)

Először is, a válasznak semmi köze nincs az egyes galaxisokhoz. A galaxisok a legismertebb világegyetem egyik legrosszabb tárgya, és amikor maga az univerzum természetét teszteli, akkor a lehető legtisztább környezetet szeretné. Erre egy teljes kutatási terület tartozik, amelyet fizikai kozmológiának nevezünk. (Teljes nyilvánosságra hozatal: ez az én mezőm.) Az első világegyetem születésekor nagyon közel volt az egységeshez: szinte pontosan azonos sűrűségű volt mindenhol. A becslések szerint a legsűrűbb régió, amellyel az Univerzum kezdődött, kevesebb, mint 0,01% -kal volt sűrűbb, mint a legkevésbé sűrű régió a forró Nagyrobbanás kezdetén. A gravitáció nagyon egyszerűen és egyértelműen működik, még kozmikus méretekben is, amikor az átlagos sűrűségtől való eltérésekkel foglalkozunk. Ezt lineáris rendszernek nevezik, és nagyszerű kozmikus tesztet nyújt mind a gravitáció, mind a sötét anyag szempontjából.

Nagyméretű vetítés az Illustris-térfogaton keresztül z = 0-on, a legmasszább klaszter középpontjában, 15 Mpc / h mélységgel. Megmutatja a sötét anyag sűrűségét (balra), áttérve a gáz sűrűségére (jobbra). Az univerzum nagyméretű felépítése nem magyarázható sötét anyag nélkül. (Illustris Együttműködés / Illustris Szimuláció)

Másrészről, amikor az átlagtól való nagy eltérésekkel kell foglalkoznunk, ez arra vezet, hogy Ön az úgynevezett nemlineáris rendszer, és ezekből a tesztekből sokkal nehezebb következtetéseket levonni. Manapság egy olyan galaxis, mint a Tejút, milliószor sűrűbb lehet, mint az átlagos kozmikus sűrűség, amely szilárdan a nemlineáris rezsimbe helyezi. Másrészről, ha akár nagyon nagy léptékben, akár nagyon korai időben nézünk az Univerzumra, a gravitációs hatások sokkal lineárisabbak, ez az ideális laboratórium. Ha meg akarja próbálni, hogy kell-e a gravitáció módosítása vagy a sötét anyag további összetevőjének hozzáadása, akkor érdemes megnéznie, ahol a hatások a legtisztábbak, és ahol a gravitációs hatások a legkönnyebben megjósolhatók: a lineáris módban.

Itt állnak a legjobb módszerek az Univerzum kipróbálására abban a korszakban, és mit mondanak neked.

A kozmikus mikrohullámú háttér ingadozásait először a COBE pontosan az 1990-es években, majd a WMAP a 2000-es években és a Planck (fent) a 2010-es években határozta meg pontosan. Ez a kép hatalmas információt kódol a korai világegyetemről, beleértve összetételét, korát és történetét. (ESA és a Planck együttműködés)

1.) A kozmikus mikrohullámú háttér ingadozása. Ez a mi legkorábbi valódi képünk az univerzumról és az energia sűrűségének ingadozásáról, csak a nagy robbanás után 380 000 évvel. A kék régiók megfelelnek a túlterheltségeknek, ahol az anyagcsomók elkezdik elkerülhetetlen gravitációs növekedésüket, csillagok, galaxisok és galaxiscsoportok kialakulásának útján haladva. A vörös régiók alsó sűrűségű régiók, ahol az anyagot elveszítik a körülötte lévő sűrűbb régiók. Megnézve ezeket a hőmérsékleti ingadozásokat és azt, hogy ezek miként korrelálnak - vagyis egy adott skálán. milyen nagyságrendű az átlagos ingadozás az átlagos hőmérséklettől eltekintve - szörnyű sokat tanulhat az univerzum összetételéről.

Ezen akusztikus csúcsok relatív magassága és pozíciója, a kozmikus mikrohullámú háttér adatokból származtatva, egyértelműen megegyezik egy 68% sötét energiát, 27% sötét anyagot és 5% normál anyagot tartalmazó univerzummal. Az eltérések szigorúan korlátozottak. (Planck 2015 eredményei. XX. Az infláció korlátozásai - Planck együttműködés (Ade, P.A.R. et al.) ArXiv: 1502.02114)

Különösen a fent azonosított hét csúcs pozíciói és magasságai (különösen a relatív magasságok) látványosan megegyeznek egy adott illeszkedéssel: egy univerzumban, amely 68% sötét energiát, 27% sötét anyagot és 5% normál anyagot tartalmaz. Ha nem veszi figyelembe a sötét anyagot, akkor a páratlan és a páros számú csúcsok relatív méretét nem lehet egybevetni. A módosított gravitációs igények szerint a legjobb az, ha megkapja az első két csúcsot (de nem a harmadikt, vagy azon túl), vagy a megfelelő csúcs-spektrumot kapja meg egy sötét anyag hozzáadásával, amely meghiúsítja az egész célt. Einstein gravitációjára nincs olyan ismert módosítás, amely képes ezeket a jóslatokat reprodukálni, még a tény után is, anélkül, hogy a sötét anyagot hozzáadná.

A Baryon akusztikus oszcillációk okozta csoportosítási minták szemléltetése, ahol a galaxist bizonyos távolságra található bármely más galaxistól való valószínűségét a sötét anyag és a normál anyag közötti kapcsolat szabályozza. Ahogy az Univerzum bővül, ez a jellemző távolság is kibővül, lehetővé téve a Hubble-állandó mérését. (Zosia Rostomian)

2.) A nagy léptékű szerkezet az univerzumban. Ha van galaxisod, mennyire valószínű, hogy egy bizonyos távolságra talál egy másik galaxist? És ha egy bizonyos térbeli skálán nézzük az Univerzumot, akkor mi eltér a galaxisok „átlagos” számától, amit elvárnak ott látni? Ezek a kérdések a nagy léptékű struktúra megértésének középpontjában állnak, és válaszuk nagyon erősen függ mind a gravitációs törvényektől, mind pedig attól, ami az univerzumban van. Egy olyan univerzumban, ahol az anyag 100% -a normál anyag, akkor a struktúra kialakulása nagymértékben elnyomódik meghatározott, nagy léptékben, míg ha az univerzumban a sötét anyag uralja, akkor csak egy kis háttérrel elnyomja a sima háttér felületét. . Ehhez nem kell semmilyen szimuláció vagy nemlineáris effektus; ezt mind kézzel lehet kiszámítani.

A megfigyelt galaxisok (piros pontok) és a sötét anyaggal (fekete vonal) alapuló kozmológia előrejelzései hihetetlenül jól állnak. A kék vonal, a gravitáció módosításával és anélkül, nem képes reprodukálni ezt a megfigyelést sötét anyag nélkül (S. Dodelson, a http://arxiv.org/abs/1112.1320 címen).

Ha ezen a legnagyobb skálán nézzük az Univerzumot, és összehasonlítsuk a különféle forgatókönyvek előrejelzéseivel, az eredmények megdönthetetlen. Azok a piros pontok (hibasávokkal, mint az ábrán látható) a saját univerzumunk megfigyelései - az adatok. A fekete vonal jelenti a szokásos mCDM kozmológiánk előrejelzését, normál anyaggal, sötét anyaggal (a normál anyag hatszorosa), sötét energiával és az általános relativitáselmélettel, mint arra irányadó törvényvel. Vegye figyelembe a benne lévő kis parókákat, és hogy a jóslatok mennyire felelnek meg - mennyire elképesztően jól - az adatokkal. A kék vonal a normál anyag előrejelzése sötét anyag nélkül, mind a standard (szilárd), mind a módosított gravitációs (pontozott) forgatókönyvekben. És ismét, nem ismertek olyan gravitációs módosítások, amelyek reprodukálhatják ezeket az eredményeket, még a tény után is, anélkül, hogy a sötét anyagot is belefoglalnánk.

A protonok és neutronok útja a korai univerzumban a legkönnyebb elemek és izotópok kialakításához: deutérium, hélium-3 és hélium-4. A nukleon / foton arány határozza meg, hogy ezeknek az elemeknek mekkora részét fogjuk befejezni a mai világegyetemünkben. Ezek a mérések lehetővé teszik számunkra, hogy pontosan megismerjük a normál anyag sűrűségét az egész univerzumban. (E. Siegel / A galaxison túl)

3.) A korai világegyetemben képződött fényelemek relatív bősége. Ez nem kifejezetten egy sötét anyaggal kapcsolatos kérdés, és nem is függ a gravitációtól. De a korai világegyetem fizikájának köszönhetően, amikor az atommagokat elegendően nagy energiakörülmények között bomlik fel, amikor az univerzum rendkívül egységes, pontosan megjósolhatjuk, hogy mekkora mennyiségű hidrogén, deutérium, hélium-3, hélium-4 és lítium- A 7-et a Ma nagy látványosságánál kellene hagyni a Nagyrobbanástól. Csak egy paramétertől függ ezek az eredmények: a fotonok és a baronok (protonok és neutronok együttes) aránya az univerzumban. Megmértük a fotonok számát az univerzumban, mind a WMAP, mind a Planck műholdaknak köszönhetően, és ezen elemek bőségét is megmértük.

A hélium-4, a deutérium, a hélium-3 és a lítium-7 várható előfordulása a Big Bang Nucleosynthesis által előrejelzett módon, a megfigyeléseket a piros körökben mutatva. (NASA / WMAP tudományos csapat)

Összefoglalva, megmondják nekünk az univerzumban a normál anyag teljes mennyiségét: ez a kritikus sűrűség 4,9% -a. Más szavakkal, tudjuk a normál anyag teljes mennyiségét az univerzumban. Ez egy olyan szám, amely látványosan egyetért mind a kozmikus mikrohullámú háttér adatokkal, mind a nagy léptékű szerkezeti adatokkal, és mégis, az összes jelenlévő anyagmennyiségnek csak körülbelül 15% -a. Ismét nincs olyan ismert változás a gravitációban, amely megadhatja ezeket a nagy léptékű előrejelzéseket, és megadhatja a normál anyag ilyen alacsony bőségét.

A MACS J0416.1–2403 klaszter az optikai, az egyik Hubble Frontier Field területén, amely gravitációs lencsék révén feltárja a világegyetem valaha látott legmélyebb és legszegényebb galaxisait. (NASA / STScI)

4.) A csillagfény gravitációs hajlítása az univerzumban lévő nagy klasztermasszákból. Amikor megnézzük az univerzum legnagyobb tömegcsomóit, azokat, amelyek a legközelebb állnak a szerkezet kialakulásának lineáris módjába, észrevehetjük, hogy torzul a tőlük származó háttérfény. Ennek oka a csillagfény gravitációs lencsének nevezett relativitáselmélet gravitációs hajlítása. Amikor ezekkel a megfigyelésekkel meghatározzuk az univerzumban jelen lévő teljes tömegmennyiséget, akkor ugyanazt a számot kapjuk, amit végigvisztünk: az Univerzum teljes energiájának kb. 30% -ának jelen kell lennie az anyag minden formájában, összeadva. , az eredmények reprodukálásához. Ha a normál anyagban csak 4,9% van jelen, ez azt jelenti, hogy valamilyen sötét anyagnak kell lennie.

Gravitációs lencse az Abell S1063 galaxisfürtben, bemutatva a csillagfény hajlítását az anyag és az energia jelenlétével. (NASA, ESA és Lotz J. (STScI))

Ha a teljes adatsort nézzük, nem pedig csak a rendetlen, összetett, nemlineáris rendszerben zajló apró részletek helyett, nincs mód arra, hogy megszerezzük a mai Világegyetemet anélkül, hogy a sötét anyagot hozzáadnánk. Azoknak az embereknek, akik (helytelenül) az Occam borotváját használják, hogy a MOND vagy az MOdified Newtonian Dynamics mellett érveljenek, fontolóra kell venniük, hogy Newton törvényének módosítása nem oldja meg ezeket a problémákat az Ön számára. Ha Newtonot használja, akkor kimarad az Einstein relativitáselméletének sikereiről, amelyek túlságosan sokak ahhoz, hogy felsoroljuk. Itt van a Shapiro-késleltetés. Van gravitációs időtágulás és gravitációs vöröseltolódás. Itt van a Nagyrobbanás kerete és a bővülő Univerzum fogalma. Van a lencse-remegő hatás. A gravitációs hullámok közvetlenül detektálhatók, a mért sebességük megegyezik a fénysebességgel. És vannak olyan galaxisok mozgásai a klaszterekön belül, és maguk a galaxisok csoportosulnak a legnagyobb skálán.

A legnagyobb léptékben a galaxisok megfigyelési alapon történő csoportosulásának módja (kék és lila) nem hasonlítható szimulációkkal (piros), hacsak nem tartalmaznak sötét anyagot. (Gerard Lemson és a Virgo Consortium, az SDSS, a 2dFGRS és a millenniumi szimuláció adataival)

És ezen megfigyelések mindegyikére vonatkozóan a gravitáció egyetlen módosítása nem képes megismételni ezeket a sikereket. A közszférában létezik néhány ének, aki a MOND-t (vagy más módosított gravitációs inkarnációkat) támogatja a sötét anyag legitim alternatívájaként, ám ezen a ponton jelenleg nincs. A kozmológiai közösség egyáltalán nem dogmatikus a sötét anyag szükségességéről; „hiszünk benne”, mert ezek a megfigyelések megkövetelik azt. Ennek ellenére a relativitásellenőrzés módosítására tett erőfeszítések ellenére nincs olyan ismert módosítás, amely magyarázatot nyújthat e négy pont közül kettőre, még kevésbé mind a négyre. De a sötét anyag képes, és képes is.

Csak azért, mert a sötét anyag némelyik számára zavaró tényezőnek számít, szemben az Einstein gravitációjának módosítására vonatkozó elképzeléssel, ez utóbbinak nem ad további súlyt. Amint Umberto Eco a Foucault Pendulum-ban írta: „Mint az ember mondta, minden összetett problémára van egy egyszerű megoldás, és ez helytelen.” Ha valaki megkísérel eladni neked módosított gravitációt, kérdezze meg őket a kozmikus mikrohullámú háttérrel kapcsolatban. Kérdezd meg őket a nagy léptékű felépítésről. Kérdezd meg őket a Big Bang Nucleosynthesis-ről és az egyéb kozmológiai megfigyelések teljes készletéről. Amíg nem kapnak olyan határozott választ, amely ugyanolyan jó, mint a sötét anyag, ne hagyja, hogy elégedett legyen.

Négy ütköző galaxiscsoport, amely a röntgen (rózsaszín) és a gravitáció (kék) közötti távolságot mutatja, jelezve a sötét anyagot. Nagy léptékben hideg sötét anyag szükséges, és nincs alternatíva vagy helyettesítő. (Röntgen: NASA / CXC / UVic. / A.Mahdavi et al. Optikai / Lencsés: CFHT / UV-fény / A. Mahdavi et al. (bal felső rész); röntgen: NASA / CXC / UCDavis / W.Dawson és munkatársai; optikai: NASA / STScI / UCDavis / W.Dawson és társai (jobb felső); ESA / XMM-Newton / F. Gastaldello (INAF / IASF, Milánó, Olaszország) / CFHTLS (bal alsó rész); röntgen: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (Kaliforniai Egyetem, Santa Barbara) és S. Allen (Stanfordi Egyetem) (jobbra lent) ))

A módosított gravitáció nem képes sikeresen megjósolni az univerzum nagy léptékű szerkezetét, ahogy a sötét anyaggal teli univerzum képes. Időszak. És amíg csak lehetséges, nem érdemes komolyan versenytársaknak figyelmet fordítani. Nem hagyhatja figyelmen kívül a fizikai kozmológiát a kozmosz megfejtetésére tett kísérletek során, és a nagy léptékű struktúra, a mikrohullámú háttér, a fényelemek és a csillagfény hajlításának előrejelzései a legalapvetőbb és legfontosabb előrejelzések, amelyek a fizikai kozmológiából származnak. . A MOND nagy győzelemmel rendelkezik a sötét anyaggal szemben: jobban magyarázza a galaxisok forgási görbéit, mint a sötét anyag valaha volt, beleértve a mai napig is. De ez még nem fizikai elmélet, és nem egyeztethető össze a rendelkezésünkre álló megfigyelések teljes készletével. Amíg el nem jön a nap, a sötét anyag megérdemelten lesz a vezető elmélet arról, hogy mi alkotja a tömeget az univerzumunkban.

A Starts With A Bang mostantól a Forbes-en működik, és a Mediumon közzéteszik, a Patreon támogatóinknak köszönhetően. Ethan két könyvet írt, a Beyond The Galaxy és a Treknology: A Star Trek tudománya a Tricorders-től a Warp Drive-ig.