Одна из самых головоломных загадок Вселенной - это просто «где все?»
Все, что мы можем видеть, находить или с чем взаимодействовать, состоит из частиц, которые мы в основном понимаем, таких как фотоны, электроны, кварки и глюоны среди прочих.
Тем не менее, когда мы смотрим на огромный космический океан вокруг нас, мы обнаруживаем, что все это составляет чуть менее 5% Вселенной; остальное не видно. Мы называем недостающие компоненты темной энергией (68%) и темной материей (27%), но вот в чем дело…
Мы действительно не знаем, что это такое.
Есть, однако, несколько устойчивых теорий, основанных на том, что мы ДЕЙСТВИТЕЛЬНО знаем об этих вещах. Более того, мы можем многое сказать об этих неуловимых энергиях благодаря блестящей совместной работе тысяч ученых.
Что мы на самом деле знаем?
Мы так многого не знаем о темной материи и темной энергии, но очень многое можем сказать о них определенно.
Мы заметили, что темная энергия влияет на расширение Вселенной, став заметной и обнаруживаемой только около 6-9 миллиардов лет назад.
Он кажется одинаковым во всех направлениях, поскольку имеет постоянную плотность энергии во времени и не слипается с материей, что указывает на то, что он однороден во всем пространстве.
Когда мы смотрим на то, как расширяется Вселенная, абсолютно необходима темная энергия, при этом примерно 68% общей энергии Вселенной в настоящее время существует в виде темной энергии.
Темная материя, с другой стороны, показала свое влияние на всю 13,8-миллиардную историю нашей Вселенной. Великая космическая паутина структур с древнейших времен до наших дней требует, чтобы темная материя существовала примерно в пять раз больше, чем нормальная материя.
Темная материя сгущается и сгущается, и ее эффекты можно увидеть в формировании самых ранних квазаров, галактик и газовых облаков.
Даже до этого гравитационные эффекты темной материи проявляются в самом раннем свете Вселенной: космическом микроволновом фоне или остаточном свечении Большого взрыва.
Картина несовершенств требует, чтобы Вселенная состояла примерно из 27% темной материи по сравнению с только 5% нормальной материи. Без него все, что мы наблюдаем, было бы невозможно объяснить.
Но обязательно ли это означает, что темная материя и темная энергия были созданы еще в момент Большого взрыва? Или есть другие возможности?
Сложность Вселенной заключается в том, что мы можем видеть только те ее части, которые доступны нам сегодня. Когда эффект слишком мал, чтобы его можно было увидеть - например, когда другие эффекты более важны - мы можем делать только предположения, а не твердые выводы.
В чем заключаются проблемы с темной энергией:
Эффекты, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть, становятся особенно проблематичными для темной энергии. По мере расширения Вселенная разбавляется; объем увеличивается, а общее количество частиц в нем остается прежним.
Плотность материи (как нормальной, так и темной) уменьшается, но плотность темной энергии остается постоянной.
Возможно, сегодня в нашей Вселенной преобладает темная энергия, но это произошло относительно недавно. В прошлом Вселенная была меньше и плотнее, а это означало, что плотность материи была намного выше.
Около 6 миллиардов лет назад плотность вещества и темной энергии была равна; около 9 миллиардов лет назад плотность темной энергии была достаточно низкой, чтобы ее влияние на скорость расширения Вселенной не было заметно.
Чем дальше мы экстраполируем назад во времени (или размер/масштаб Вселенной), тем труднее становится увидеть и измерить эффекты темной энергии.
Насколько нам известно, темная энергия имеет абсолютно постоянную плотность энергии.
Мы можем использовать данные, которые у нас есть, чтобы ограничить уравнение состояния темной энергии, параметризованное величиной, известной как w. Если темная энергия является в точности космологической постоянной, то w=-1 точно и не меняется со временем.
Это не обязательно означает, что темная энергия всегда существовала с постоянной плотностью энергии. Он может меняться со временем, если он изменяется в рамках некоторых наблюдательных ограничений.
Может существовать связь между темной энергией и первоначальным расширением Вселенной до Большого взрыва, известным как космическая инфляция, которая является идеей, лежащей в основе полей квинтэссенции (понятие настолько сложное, что мы не будем вдаваться в подробности). коснитесь его 10-футовым шестом).
Или темная энергия могла быть эффектом, которого не было на самых ранних стадиях развития Вселенной, и который проявился гораздо позже.
У нас нет свидетельств, которые так или иначе говорят о присутствии или отсутствии темной энергии в течение первых 4 миллиардов лет или около того истории Вселенной.
У нас есть веские основания предполагать, что он не изменился, но нет наблюдательной достоверности, подтверждающей это. Что, безусловно, привело на грань безумия не только нескольких астрофизиков?
Темная реальность Темной Материи:
В отличие от темной энергии, темная материя должна была существовать практически с самого начала.
Картина флуктуаций, которую мы наблюдаем в фоновом излучении, является самым ранним имеющимся свидетельством существования темной материи в нашей Вселенной, датируемым примерно 380 000 лет после Большого взрыва.
Самое интересное, что в этой схеме пиков и падений уже запечатлено критическое соотношение 5 к 1 с нормальной материей.
Темная материя не только дает семена структуры, которая заставляет все больше и больше темной материи падать в сверхплотные области (и теряться из менее плотных областей), но и делает так с самых ранних стадий во Вселенной.
Это не обязательно означает, однако, что темная материя присутствовала в момент Большого Взрыва.
Темная материя могла быть создана в тот самый момент, когда закончилась инфляция; он мог быть создан в результате высокоэнергетических взаимодействий, которые произошли сразу после этого; он мог даже возникнуть из частиц в энергетических масштабах Теории Великого Объединения намного позже.
Мы просто не знаем.
Не зная точно, что такое темная материя, включая то, является ли она вообще частицей, мы не можем с уверенностью сказать, когда именно она могла возникнуть.
Но из измерений крупномасштабной структуры Вселенной, включая сигнатуры, отпечатанные на самой ранней из всех картин, мы можем быть абсолютно уверены, что темная материя возникла на самых ранних стадиях Большого Взрыв, и, возможно, в самом начале всего этого.
Темная энергия могла существовать все это время, а могла появиться гораздо позже. Последнее кажется гораздо более вероятным, так как в настоящее время проводится существенное исследование идеи о том, что только когда формируется сложная структура, темная энергия возникает и становится важной во Вселенной.
Подождите, мы вообще что-нибудь знаем?
Большой вызов для современной космологии состоит в том, чтобы раскрыть природу этих недостающих компонентов Вселенной. Если мы сможем сделать именно это, мы начнем понимать, когда и как возникла темная материя и темная энергия.
Что мы можем сказать наверняка, так это то, что на самых ранних стадиях излучение было доминирующим компонентом Вселенной, и всегда присутствовало небольшое количество обычной материи.
Темная материя могла возникнуть в самом начале или чуть позже, но все же очень рано. В настоящее время считается, что темная энергия существовала всегда, но стала важной и доступной для обнаружения только тогда, когда Вселенной уже исполнились миллиарды лет.
Определение остальных - задача нашего научного будущего.