Astronomer kartlegger mørk materie indirekte, via dens gravitasjonstrekk på andre objekter.
Paul M. Sutter er en astrofysiker hos Ohio State University, vert av Spør en Spaceman og Space Radio, og forfatter av "Din plass i universet."Sutter bidro denne artikkelen til Space.coms ekspertstemmer: Op-Ed & Insights.
Den moderne studien av hele universet, vitenskapsgrenen kjent som kosmologi, skylder sin nåværende status til mange bemerkelsesverdige figurer, og går tilbake over nesten et århundre med dedikert, hardt vunnet forskning.
Noen av disse navnene kan være kjent: Albert Einstein, Edwin Hubble, Vera Rubin, etc. Men nylig anerkjente Nobelprisutvalget bidragene fra et navn du kanskje ikke kjenner deg igjen, Jim Peebles, og ga ham halvparten av fysikkprisen i 2019, "for bidrag til vår forståelse av utviklingen av universet og jordens plass i kosmos."
Det er nok å si, kosmologi ville ikke være der den er i dag uten innsatsen fra Jim Peebles. Det er en ting å oppgi Big Bang-modell i enkelhet på baksiden av en T-skjorte (f.eks. "universet pleide å være mindre og varmere, og nå er det ikke"), men det er en helt annen ting å gjøre det til en presis matematisk formulering som er i stand til å gjøre forutsigelser å sammenligne med observasjoner. Det er rimelig å si at Peebles bidro til å transformere kosmologi fra "ryddig og generelt riktig idé" til "et felt av ekte vitenskap." La oss utforske tre hovedveier der hans innsikt har ledet oss:
Den kosmiske mikrobølgebakgrunnen
Hvis det tidlige universet var mindre enn det er i dag, må det også ha vært varmere og tettere. Når du først aksepterer denne virkeligheten, innser du raskt at på et tidspunkt i den fjerne fortiden, universet må ha vært så tett og så varmt at det eksisterte i en helt annen sakstilstand.
For over 13 milliarder år siden, da universet var omtrent en milliondels nåværende volum, var alle tingene i kosmos så knust sammen at det var et plasma, en tilstand av materie der elektronene blir revet fra atomer og frie til streife rundt på egen hånd. Da var universet ganske intenst.
Men så ble den eldre, den ble større og den ble kaldere. Og i en viss alder sank temperaturene og trykket under en kritisk terskel, og elektronene klarte å feste seg til atomer uten umiddelbart å bli slått av. På et øyeblikk ble universet gjennomsiktig for stråling, og det lyset - bokstavelig talt hvit varmt i det øyeblikket det ble utgitt - vedvarer til i dag og suger kosmos.
Men i dag har lyset mistet mye damp og kjøler bare noen få grader over absolutt null, fast i mikrobølgebåndet. Dette "kosmisk mikrobølgeovnbakgrunn"ble tilfeldigvis oppdaget av et par mikrobølgefysikere i 1964, men ukjent for dem hadde en gruppe teoretikere inkludert Peebles allerede spådd dens eksistens. Mikrobølgefysikerne vant Nobel i 1978, men det er aldri for sent for Nobelkomiteen å anerkjenne teoretikere også.
Mørk materie
På 1970-tallet astronom Vera Rubin oppdaget noe morsomt som foregikk med galakser: stjernene inni dem kretset altfor raskt. Så raskt, faktisk, at galaksene burde ha kastet seg fra hverandre for milliarder av år siden. Men der var de, glade som muslinger.
Hva skjedde? Forsto vi ikke noe om tyngdekraften ved så store skalaer som galakser? Eller hadde universet en ekstra ingrediens som var skjult for oss inntil Rubins observasjoner?
Noen astronomer, inkludert Rubin selv, mente at vi måtte justere fysikkens lover for å få ting til. Men andre, inkludert Peebles, regnet med at det var mer i en galakse enn det som møter øyet. Han var en av de tidligste talsmennene for det vi nå kaller "kald mørk materie" - en ny form for materie som ikke samhandler med lys (og dermed ikke samhandler med noe annet bortsett fra gjennom tyngdekraften). Det vet vi nå mørk materie metter universet og oversvømmer normal substans med minst 5: 1.
Peebles og samarbeidspartnere gjorde et forsøk på å undersøke hva denne nye hypotesen ville bety i form av galakseoppførsel, og ga nyttige tester for observatører å målrette og måle.
I dag, mens vi fremdeles ikke helt forstår mørk materie - og vi ennå ikke har presisert dens eksakte identitet - har bevisene kommet fra flere vinkler, inkludert subtile avtrykk i selve den kosmiske mikrobølgebakgrunnen, at mørk materie er en viktig ingrediens i vår univers.
Kosmisk struktur
Men Peebles sluttet ikke med de tidligste øyeblikkene av Big Bang eller mystiske og usynlige komponenter til vårt univers. Peebles gikk stort.
Vi ser i universet rundt oss alle slags forskjellige galakser i alle slags fantasifulle arrangementer. Noen galakser er bundet sammen i gigantiske klynger, mens andre er ensomme. Noen er enorme og hulke, og andre er små og knapt merkbare. Og når vi zoomer ut til de aller største skalaene, ser vi en enorm "kosmisk nett, "det største mønsteret som finnes i naturen, en struktur som strekker seg fra den ene enden av det synlige universet til den andre.
Den kosmiske banen er laget av galakser, og ser ut som et kosmisk edderkoppnett, som navnet antyder.
Hvordan gjorde at skje?
Peebles og vennene hans ledet veien til å forklare opprinnelsen til det kosmiske nettet, og oppdaget at strukturer i universet vårt vokser sakte over tid, og bygger seg opp fra mindre biter til større biter med hver eon som går.
De fant hvordan de kan lete etter hint av frøene med struktur i den kosmiske mikrobølgebakgrunnen, synlige som små variasjoner i temperatur ikke større enn 1 del av 100 000. Disse variasjonene var plasseringene av de første bassengene med litt høyere tetthet enn gjennomsnittet, der mer materie (spesielt mørk materie!) Ville strømme i løpet av millioner av år.
Etter hvert ville de små nuggene vokse til å bli galakser, og noen galakser samlet seg for å danne klynger av galakser. Og siden alt det som pleide å bygge disse store strukturene måtte komme fra et sted, åpnet og utvidet enorme tomme regioner seg. Disse ble hullene i den kosmiske nettet, kjent som tomrom.
Gjennom flere tiår har Jim Peebles skrevet hundrevis av artikler og samarbeidet med hundrevis av astronomer, astrofysikere, fysikere og kosmologer, og han var en kritisk aktør i å male portrettet av universet som vi nå forstår.
- Nobelpris i fysikk: 1901-nåtid
- Dark Matter and Dark Energy: The Mystery Explained (Infographic)
- 11 ubesvarte spørsmål om Dark Matter
Du kan høre på Ask A Spaceman-podcasten påiTunes, og på nettet kl http://www.askaspaceman.com. Still ditt eget spørsmål på Twitter ved å bruke #AskASpaceman, eller ved å følge Paul @PaulMattSutter og facebook.com/PaulMattSutter. Følg oss på Twitter @Spacedotcom eller Facebook.
