Tähtitieteilijät kartoittavat tumman aineen epäsuorasti sen painovoiman vetämällä muihin esineisiin.
Paul M. Sutter on astrofysiikka Ohion osavaltion yliopisto, isäntä Kysy avaruusasemalta ja Avaruusradio, ja kirjoittajaPaikkasi maailmankaikkeudessa."Sutter kirjoitti tämän artikkelin Space.com: n asiantuntijaäänet: Op-Ed & Insights.
Koko maailmankaikkeuden moderni tutkimus, kosmologiaksi kutsuttu tieteen haara, johtuu sen nykyisestä asemastaan monille merkittäville henkilöille, jotka ovat menneet yli vuosisadan omistettuun, kovasti voitettuun tutkimukseen.
Jotkut näistä nimistä saattavat olla tuttuja: Albert Einstein, Edwin Hubble, Vera Rubin jne. Mutta äskettäin Nobelin palkintokomitea tunnusti nimensä, jota et ehkä tunnusta, Jim Peeblesin ja antoi hänelle puolet vuoden 2019 fysiikan palkinnosta, "osallistumisesta ymmärtämiseenmme maailmankaikkeuden evoluutiosta ja Maan paikasta kosmossa".
Riittää, kun sanotaan, että kosmologia ei olisi siellä missä se on tänään ilman Jim Peeblesin ponnisteluja. Se on yksi asia todeta Big Bang -malli takana -T-paita yksinkertaisuus (esim. "maailmankaikkeus oli aiemmin pienempi ja kuumempi, ja nyt se ei ole"), mutta se on täysin eri asia muuttaa se täsmälliseksi matemaattiseksi formulaatioksi, joka kykenee tekemään ennusteita verrattuna havaintoja. On rehellistä sanoa, että Peebles auttoi muuttamaan kosmologian "siististä ja yleensä oikeasta ideasta" "todellisen tieteen alaksi". Tutkitaan kolmea pääväylää, joissa hänen näkemyksensä ovat opastaneet meitä:
Kosmisen mikroaaltotausta
Jos varhainen maailmankaikkeus oli pienempi kuin nykyään, niin sen on myös pitänyt olla kuumempi ja tiheämpi. Ja kun olet hyväksynyt tämän todellisuuden, huomaat nopeasti, että joskus kaukaisessa menneisyydessä universumi sen on täytynyt olla niin tiheä ja niin kuuma, että se oli olemassa täysin erilaisessa tilassa.
Yli 13 miljardia vuotta sitten, kun maailmankaikkeus oli noin miljoonasosa nykypäivän tilavuudestaan, kaikki kosmossa olevat asiat olivat niin tasoitettuja, että se oli plasma, ainetila, jossa elektronit repivät atomista ja ovat vapaita vaeltaa yksin. Tuolloin maailmankaikkeus oli aika intensiivinen.
Mutta sitten se vanhentyi, se suurentyi ja tuli kylmemmäksi. Ja tietyssä iässä lämpötilat ja paineet laskivat kriittisen kynnyksen alapuolelle ja elektronit pystyivät kiinnittymään atomiin ilman, että he heikkenivät heti. Vilkkuessa maailmankaikkeus muuttui läpinäkyväksi säteilylle, ja että valo - kirjaimellisesti valko-kuuma sen julkaisuhetkellä - jatkuu nykypäivään kosmosta liotettaessa.
Mutta tänään tämä valo on menettänyt paljon höyryä ja jäähtyy vain muutama aste absoluuttisen nollan yläpuolelle tiukasti mikroaaltoalueella. Tämä "kosminen mikroaaltouuni tausta"Mikroaaltofyysikot löysivät vahingossa vuonna 1964, mutta tietämättä heille ryhmä teoreetikkoja, mukaan lukien Peebles, oli jo ennustanut sen olemassaolon. Mikroaaltofyysikot voittivat Nobelin vuonna 1978, mutta Nobel-komitean ei ole koskaan liian myöhäistä tunnistaa myös teoreetikot.
Pimeä aine
1970-luvulla, tähtitieteilijä Vera Rubin löysi galaksien kanssa jotain hassua: niiden sisällä olevat tähdet kiertävät liian nopeasti. Itse asiassa niin nopeasti, että galaksien olisi pitänyt lentää itsensä miljardeja vuosia sitten. Mutta siellä he olivat iloisia kuin simpukat.
Mitä oli meneillään? Emmekö ymmärtäneet jotain painovoiman luonteesta niin suurilla asteikoilla kuin galakseja? Vai oliko maailmankaikkeudessa ylimääräinen aineosa, joka oli piilotettu meille Rubinin havaintoihin saakka?
Jotkut tähtitieteilijät, mukaan lukien itse Rubin, ajattelivat, että meidän oli mukautettava fysiikan lakeja saadaksemme asiat oikein. Mutta toiset, mukaan lukien Peebles, tajusivat, että galaksissa oli enemmän kuin silmän tapaamista. Hän oli yksi varhaisimmista puolustajista siinä, mitä me nyt kutsumme "kylmäksi pimeäksi aineeksi" - uudeksi aineen muotoksi, joka ei ole vuorovaikutuksessa valon kanssa (eikä siis vuorovaikutuksessa muun kanssa paitsi painovoiman kautta). Tiedämme sen nyt pimeä aine kyllästää maailmankaikkeuden, uihduttaen normaalin aineen ainakin suhteella 5: 1.
Peebles ja yhteistyökumppanit tutkivat tämän uuden hypoteesin merkitystä galaksien käyttäytymisessä ja tarjosivat hyödyllisiä testejä tarkkailijoille kohdistamiseksi ja mittaamiseksi.
Nykyään, vaikka emme vieläkään ymmärrä täysin tummaa ainetta - ja meidän on vielä määriteltävä sen tarkka identiteetti - todisteita on saatu monesta näkökulmasta, mukaan lukien hienovaraiset jäljet itse kosmisessa mikroaaltouuni-taustassa, että tumma aine on tärkeä ainesosa meidän maailmankaikkeus.
Kosminen rakenne
Mutta Peebles ei lopettanut varhaisimmista Big Bang-hetkeistä tai salaperäisistä ja näkymättömistä komponenteista universumillemme. Peebles meni iso - tavalla iso.
Me näemme ympärillämme olevassa maailmankaikkeudessa kaikenlaisia erilaisia galakseja ja kaikenlaisia kuvitteellisia järjestelyjä. Jotkut galaksit ovat sitoutuneet toisiinsa jättiläisklustereina, kun taas toiset ovat yksinäisiä. Jotkut ovat valtavia ja räikeitä, ja toiset ovat pieniä ja tuskin havaittavissa. Ja kun zoomaamme suurimpaan mittakaavaan, näemme laajan "kosminen verkko, "" luonnossa esiintyvä suurin kuvio, rakenne, joka ulottuu näkyvän universumin yhdestä päästä toiseen.
Kosminen verkko on tehty galakseista, ja kuten nimestä voi päätellä, se näyttää kosmiselta hämähäkkiverkolta.
Kuinka että tapahtua?
Peebles ja hänen ystävänsä näyttivät selittävän kosmisen verkon alkuperän havaitsemalla, että maailmankaikkeuden rakenteet kasvavat hitaasti ajan myötä, rakentuen pienemmistä biteistä suurempiin biteihin jokaisen kulkevan eonin kohdalla.
He löysivät kuinka etsiä vinkkejä rakenteen siemenistä kosmisessa mikroaaltouuni-taustalla, näkyvissä pieninä lämpötilavaihteluina, jotka eivät ylitä yhtä osaa 100 000: sta. Nämä variaatiot olivat ensimmäisten altaiden, joiden tiheys oli keskimääräistä korkeampi, sijainnit, joissa enemmän ainetta (etenkin tummaa ainetta!) Virtaa miljoonien vuosien aikana.
Lopulta nuo pienet nuggetit kasvaisivat galakseiksi, ja jotkut galaksit yhdistyivät galaksien klusterien muodostamiseksi. Ja koska kaikkien näiden suurten rakenteiden rakentamiseen käytetyn tavaran piti tulla jostakin, valtavat tyhjät alueet aukesivat ja laajenivat. Niistä tuli aukkoja kosmisessa verkossa, jota kutsutaan tyhjiksi.
Vuosikymmenten ajan Jim Peebles on kirjoittanut satoja kirjoituksia ja tehnyt yhteistyötä satojen tähtitieteilijöiden, astrofysiikan, fyysikon ja kosmologin kanssa, ja hän oli kriittinen pelaaja maalaamalla nyt ymmärrettävän maailmankaikkeuden muotokuva.
- Nobelin fysiikan palkinto: 1901 - nykyinen
- Tumma aine ja tumma energia: Mysteeri selitetty (Infographic)
- 11 vastaamattomia kysymyksiä pimeästä asiasta
Voit kuunnella Ask A Spaceman-podcastiaiTunesja verkossa osoitteessa http://www.askaspaceman.com. Esitä oma kysymys Twitterissä käyttämällä #AskASpaceman tai seuraamalla Paulia @PaulMattSutter ja facebook.com/PaulMattSutter. Seuraa meitä Twitterissä @Spacedotcom tai Facebook.
