Den rådande teorin

Den vanligaste uppfattningen om mörk materia är att den är gjord av WIMPS, eller svagt samverkande massiva partiklar. Dessa partiklar kan passera genom normalt ämne (känd som baryon), röra sig i långsam takt, påverkas vanligtvis av former av elektromagnetisk strålning och kan klumpas samman enkelt. Andrey Kravtsov har en simulator som överensstämmer med denna synvinkel och visar också att den hjälper kluster av galaxer att hålla ihop trots universums expansion, något som Fritz Zwicky postulerade för över 70 år sedan efter att hans egna observationer av galaxer märkte denna egenhet. Simulatorn hjälper också till att förklara små galaxer, för mörk materia gör det möjligt för galaxkluster att förbli i närheten och kannibalisera på varandra och lämna små lik efter sig. Vidare förklarar mörk materia också galaxernas snurr. Stjärnor på utsidan snurrar så snabbt som stjärnor nära kärnan, en kränkning av rotationsmekaniken eftersom dessa stjärnor bör kastas bort från galaxen baserat på deras hastighet. Mörk materie hjälper till att förklara detta genom att stjärnorna finns i detta konstiga material och förhindra dem att lämna vår galax. Det som allt känner till är att galaxer utan mörk materia inte skulle vara möjliga (Berman 36).

När det gäller mörk energi är det fortfarande ett stort mysterium. Vi har liten aning om vad det är, men vi vet att det fungerar i stor skala genom att påskynda universums expansion. Det verkar också stå för nästan ¾ av allt som universum är tillverkat av. Trots allt detta mysterium hoppas flera teorier att få reda på det.

Mordehai Milgrom |

MOND, eller modifierad Newtonian Dynamics

Denna teori har sina rötter med Mordelai Milgrom, som medan han var på sabbatsdagen åkte till Princeton 1979. Medan han konstaterade att forskarna arbetade med att lösa galaxens rotationskurvproblem. Detta hänvisar till de tidigare nämnda egenskaperna hos galaxer där de yttre stjärnorna roterar lika snabbt som de inre stjärnorna. Plotta hastigheten kontra avståndet på en graf och istället för en kurva plattas den ut, därmed kurvproblemet. Milgrom testade många lösningar innan de äntligen tog en lista över galax- och solsystemets egenskaper och jämförde dem. Han gjorde detta eftersom Newtons tyngdkraft fungerar bra för solsystemet och han ville utöka det till galaxer (Frank 34-5, Nadis 40).

Han märkte sedan att avståndet var den största förändringen mellan de två och började tänka på det i kosmisk skala. Tyngdkraften är en svag kraft men relativitet tillämpas där tyngdkraften är stark. Tyngdekraften är beroende av avstånd, och avstånd gör tyngdkraften svagare, så om den beter sig annorlunda på större skalor måste något återspegla detta. Faktum är att när gravitationellaccelerationen blev mindre än 10-10 meter per sekund (100 miljarder gånger mindre än jordens), skulle Newtons gravitation inte fungera lika bra som relativitetens, så något behövde justeras. Han modifierade Newtons andra lag för att återspegla dessa förändringar i tyngdkraften så att lagen blir F = ma 2 / a o, där den nämnare termen är den hastighet som det tar dig att accelerera till ljusets hastighet, vilket skulle ta dig livslängden för universum. Använd denna ekvation på diagrammet så att den passar perfekt till kurvan (Frank 35, Nadis 40-1, Hossenfelder 40).

Graf som visar traditionell Newtonian vs. MOND. |

Han började göra det hårda arbetet 1981 ensam eftersom ingen ansåg att detta var ett genomförbart alternativ. 1983 publicerar han alla sina tre artiklar i Astrophysical Journal utan svar. Stacy McGaugh, från Case Western University i Cleveland, hittade ett fall där MOND förutsåg resultat korrekt. Hon undrade hur MOND arbetade på "galaxer med låg ytbelysning" som hade låga stjärnkoncentrationer och var formade som en spiralgalax. De har svag tyngdkraft och är spridda, ett bra test för MOND. Och det gjorde bra. Men forskare förhindrar vanligtvis fortfarande från MOND. Det största klagomålet var att Milgrom inte hade någon anledning till varför det var rätt, bara att det passade uppgifterna (Frank 34, 36-7, Nadis 42, Hossenfelder 40, 43).

Mörk materie, å andra sidan, försöker göra båda. Mörkmaterial började också förklara andra fenomen bättre än MOND även om MOND fortfarande förklarar kurvproblemet bättre. Det nyligen gjorda arbetet av en partner till Milgrom, Jacob Bekenstein (hebreiska universitetet i Jerusalem), försöker förklara allt det mörka materialet gör när han redogör för Einsteins relativitet och MOND (som bara reviderar Newtons gravitation - en kraft - istället för relativitet). Bekensteins teori kallas TeVeS (för tensor, vektor och skalar). 2004-arbetet tar hänsyn till gravitationslinser och andra konsekvenser av relativitet. Huruvida det tar fart återstår att se. Ett annat problem är hur MOND misslyckas för inte bara galaxkluster utan också för storskaliga universum. Det kan vara av så mycket som 100%. En annan fråga är MOND: s inkompatibilitet med partikelfysik (Ibid).

Vissa nyligen gjorda arbeten har emellertid lovat. 2009 reviderade Milgrom själv MOND för att inkludera relativitet, separat från TeVeS. Även om teorin fortfarande saknar ett varför, förklarar den bättre de stora skillnaderna. Nyligen tittade Pan Andromeda Archaeological Survey (PANDA) på Andromeda och fann en dvärggalax med konstiga stjärnhastigheter. En studie publicerad i The Astrophysical Journal av Stacy McGaugh fann att den reviderade MOND fick 9/10 av de korrekta (Nadis 43, Scoles).

Men ett stort slag gav MOND den 17 augusti 2017 då GW 170817 upptäcktes. En tyngdkraftshändelse genererad av en neutronstjärnkollision, den dokumenterades kraftigt i många våglängder, och mest slående var skillnaden i tider mellan tyngdvågor och visuella vågor - bara 1, 7 sekunder. Efter att ha rest 130 miljoner ljusår kom de två nästan samtidigt. Men om MOND har rätt, borde skillnaden ha varit mer som tre år i stället (Lee "Colliding").

Scalar-fältet

Enligt Robert Scherrer från Vanderbilt University i Tennessee är mörk energi och mörk materia faktiskt en del av samma energifält som kallas skalfältet. Båda är bara olika manifestationer av det beroende på vilken aspekt du undersöker. I en serie ekvationer som han härledde presenterar olika lösningar sig beroende på tidsramen vi löser för. När densiteten minskar ökar volymen enligt hans arbete, ungefär som hur mörk materia fungerar. Då tiden fortskrider förblir densiteten konstant när volymen ökar, ungefär som hur mörk energi fungerar. I det tidiga universum var således mörk materia mer riklig än mörk energi men när tiden går kommer mörk materia att närma sig 0 när det gäller mörk energi och universum kommer att påskynda dess expansion ytterligare. Detta överensstämmer med rådande synpunkter på kosmologi (Svital 11).

En visualisering av ett skalfält. |

John Barrows och Douglas J. Shaw arbetade också med en fältteori, även om de härstammade genom att lägga märke till några intressanta tillfälligheter. När bevis för mörk energi hittades 1998 gav det en kosmologisk konstant (antiviktvärdet baserat på Einsteins fältekvationer) på 1.7 = 1, 7 * 10 -121 Planck-enheter, som råkade vara nästan 10 121 gånger större än " universums naturliga vakuumenergi. " Det råkade också vara nära 10 -120 Planck-enheter som skulle ha förhindrat galaxer från att bildas. Slutligen noterades det också att Λ är nästan lika med 1 / t u 2 där t är den "nuvarande expansionsåldern för universum", vilket är ungefär 8 * 10 60 Planck-tidsenheter. Barrows och Shaw kunde visa att om Λ inte är ett fast nummer utan ett fält så kan Λ ha många värden och därmed kan mörk energi fungera annorlunda vid olika tidpunkter. De kunde också visa att förhållandet mellan Λ och t u är ett naturligt resultat av fältet eftersom det representerar det förflutna ljuset och så skulle vara en genomgång från dagens expansion. Ännu bättre ger forskarna ett sätt att förutsäga rymdtidens krökning när som helst i universumets historia (Barrows 1, 2, 4).

Acceleron-fältet

Neal Weiner vid University of Washington tror att mörk energi är kopplat till neutrino, små partiklar med liten eller eventuellt ingen massa som lätt kan passera genom normal materia. I vad han kallar ett "acceleronfält" kopplas neutrinoer samman. När neutrinoerna rör sig ifrån varandra skapar det spänningar ungefär som en sträng. När avståndet mellan neutrinoer ökar, ökar spänningen. Vi ser detta som mörk energi enligt honom (Svital 11).

Sterila neutrinos

Medan vi är inne på neutrino, kan en speciell typ av dem existera. Kallade sterila neutrinoer, de skulle vara mycket svagt interagerar med materien, otroligt lätt, skulle vara dess egen motpartiklar och skulle kunna gömma sig från upptäckt om de inte förstör varandra. Arbete från forskare vid Johannes Gutenberg University Mainz visar att med tanke på de rätta förhållandena kan dessa vara rikligt i universum och skulle förklara de iakttagelser vi har sett. Vissa bevis för deras existens hittades till och med under 2014 när spektroskopi av galaxer hittade en röntgenstråle som innehåller energi som inte kunde redovisas om inte något doldt hände. Teamet kunde visa att om två av dessa neutrinoer samverkade, skulle det matcha röntgenutgången från dessa galaxer (Giegerich "Cosmic").

Josephson Junction. |

Josephson Junctions

En egenskap hos kvantteori, känd som vakuumfluktuationer, kan också vara en förklaring för mörk energi. Det är ett fenomen där partiklar dyker in och ut ur existensen i ett vakuum. På något sätt försvinner energin som orsakar detta från nätsystemet och det antas att den energin i själva verket är mörk energi. För att testa detta kan forskare använda Casimir-effekten, där två parallella plattor dras till varandra på grund av vakuumfluktuationerna mellan dem. Genom att studera energitätheten i fluktuationerna och jämföra dem med de förväntade mörka energitätheten. Testbädden kommer att vara en Josephson-korsning, som är en elektronisk anordning med ett skikt av isolering som pressas mellan parallella superledare. För att hitta alla genererade energier måste de titta över alla frekvenser, för energin är proportionell mot frekvensen. De lägre frekvenserna hittills stöder idén, men högre frekvenser måste testas innan något fast kan sägas om det (Phillip 126).

Emergent fördelar

Något som tar befintligt arbete och tänker om på det är framväxten allvar, en teori utvecklad av Erik Verlinde. För att bäst tänka på det, överväga hur temperaturen är ett mått på partiklarnas kinetiska rörelse. På samma sätt är tyngdkraften en följd av en annan mekanism, möjlig kvant i naturen. Verlinde tittade på de Sitter-rymden, som kommer med en positiv kosmologisk konstant, till skillnad från anti de Sitter-rymden (som har en negativ kosmologisk konstant). Varför växlaren? Bekvämlighet. Det möjliggör direkt kartläggning av kvantegenskaper med gravitationsfunktioner i en inställd volym. Så, i matematik om du får x kan du hitta y, du kan också hitta x om du får y. Emergent gravity visar hur man får en kvantbeskrivning av en volym också kan få en gravitationssynpunkt. Entropi är ofta en vanlig kvantbeskrivning, och i anti de Sitter-rymden kan du hitta en sfärs entropi så länge den är i det lägsta möjliga energitillståndet. För en de Sitter skulle det vara ett högre energitillstånd än anti de Sitter, och så genom att tillämpa relativitet på detta högre tillstånd får vi fortfarande fältekvationerna vi är vana vid och en ny term, den framväxande tyngdkraften. Det visar hur entropi påverkar och påverkas av materien och matematiken verkar peka på egenskaper hos mörk materia under långa tidsintervall. Förviklingsegenskaper med information korrelerar med de termiska och entropiska konsekvenserna, och materia avbryter denna process som leder till att vi ser den framväxande tyngdkraften när mörk energi reagerar elastiskt. Så vänta, är detta inte bara ett extra söt matematik som MOND? Nope, enligt Verlinde, eftersom det inte är ett "för att det fungerar" utan har en teoretisk grund för det. Men MOND fungerar fortfarande bättre än framväxande tyngdkraft när man förutsäger dessa stjärnhastigheter, och det kan bero på att framväxande tyngdkraft förlitar sig på sfärisk symmetri, vilket inte är fallet för galaxer. Men ett test av den teori som gjordes av holländska astronomer använde Verlindes arbete på 30 000 galaxer, och gravitationslinsningen som ses i dem förutses bättre av Verlindes arbete än av konventionell mörk materia (Lee "Emergent", Kruger, Wolchover, Skibba).

En överflödig? |

supra

Forskare har lagt märke till att mörk materia verkar agera annorlunda beroende på omfattningen man tittar på. Det håller galaxer och galaktiska kluster tillsammans, men WIMP-modellen fungerar inte bra för enskilda galaxer. Men om mörk materia kunde ändra tillstånd på olika skalor, kanske det skulle fungera. Vi behöver något som fungerar som en mörk materia-MOND-hybrid. Runt galaxer, där temperaturen är sval, kan mörk materia vara en överflödig, som har nästan ingen viskositet med tillåtelse av kvanteffekter. Men på klustrnivå är förhållandena inte rätt för en överflödig vätska och så återgår den till den mörka materien vi förväntar oss. Och modeller visar att det inte bara fungerar som teoretiserat utan det kan också leda till nya krafter skapade av fononer ("ljudvågor i själva överflödet"). För att åstadkomma detta måste dock överflödet vara kompakt och vid mycket låga temperaturer. Gravitationsfält (som skulle bero på att överflödet interagerar med normalt ämne) runt galaxer skulle hjälpa till med komprimeringen och utrymmet har redan låga temperaturer. Men på klustrnivå finns det inte tillräckligt med tyngdkraften för att pressa samman saker. Det finns dock knappt bevis hittills. Vortexer som förutsågs ses har inte gjort det. Galaktiska kollisioner, som bromsas ner av de mörka materiehalor som passerar varandra. Om överflödet bör kollisionerna fortsätta snabbare än väntat. Detta överflödiga koncept är allt enligt arbete av Justin Khoury (University of Pennsylvania) 2015 (Ouellette, Hossenfelder 43).

fotoner

Det kan verka galen, men kan den ödmjuka fotonen bidra till mörk materia? Enligt arbete av Dmitri Ryutov, Dmitry Budker och Victor Flambaum är det möjligt men bara om ett villkor från Maxwell-Proca-ekvationerna är sant. Det kan ge fotoner förmågan att generera ytterligare centripetalkrafter via "elektromagnetiska spänningar i en galax." Med rätt fotonmassa kan det räcka för att bidra till de rotationsavvikelser som forskarna har upptäckt (men räcker inte för att helt förklara det bort) (Giegerich "Fysiker").

Rogue planeter, bruna dvärgar och svarta hål

Något som de flesta inte tänker på är föremål som är svårt att hitta i första hand, som skurkplaneter, bruna dvärgar och svarta hål. Varför så svårt? Eftersom de bara reflekterar ljus och inte avger det. När de var ute i tomrummet, skulle de vara praktiskt taget osynliga. Så om tillräckligt med dem finns där ute, kan deras kollektiva massa redogöra för mörk materia? Kort sagt, nej. Mario Perez, en NASA-forskare, gick över matematiken och fann att även om modeller för skurkplaneter och bruna dvärgar var gynnsamma, skulle den inte ens komma nära. Och efter att forskare tittade in på urvårdade svarta hål (som är miniatyrversioner bildade i det tidiga universum) med hjälp av Kepler Space Telescope, fanns ingen som låg mellan 5-80% av månens massa. Teorin håller fortfarande med att primordiala svarta hål så små som 0, 0001 procent av månens massa skulle kunna existera, men det är osannolikt. Ännu mer ett slag är tanken på att tyngdkraften är omvänt proportionell mot avståndet mellan föremål. Även om många av dessa föremål fanns där ute, är de bara för långt ifrån varandra för att ha ett märkbart inflytande (Perez, Choi).

Varaktiga mysterier

Frågor kvar om mörk materia än alla dessa försök att lösa men hittills inte kan. De senaste resultaten från LUX, XENON1T, XENON100 och LHC (alla potentiella detektorer för mörk materia) har alla sänkt gränserna för potentiella kandidater och teorier. Vi behöver vår teori för att kunna redogöra för ett mindre reaktivt material än förut tänkt, några troliga nya kraftbärare som sågs hittills och eventuellt införa ett helt nytt fysikområde. Mörkmaterial till normala (baryoniska) materieförhållanden är ungefär samma över hela kosmos, vilket är extremt konstigt med tanke på alla galaktiska sammanslagningar, kannibalism, universumets ålder och orienteringar över rymden. Galaxer med låg ytbelyshet, som inte borde ha mycket mörk materia på grund av det låga materialet, visar istället rotationshastighetsproblemet som utlöste MOND i första hand. Det är möjligt att ha aktuella mörkmaterialsmodeller redogöra för detta inklusive en stellar återkopplingsprocess (via supernovor, stellar vind, strålningstryck, etc.) som tvingar ut material men behåller dess mörka materia. Det skulle kräva att denna process ska ske med ovärderliga priser, men för att redovisa mängden saknad sak. Andra problem inkluderar brist på täta galaktiska kärnor, för många dvärg galaxer och satellitgalaxer. Inte konstigt att så många nya alternativ som är alternativ till mörk materia finns där ute (Hossenfelder 40-2).

Början

Var säker på att dessa bara repar ytan på alla aktuella teorier om mörk materia och mörk energi. Forskare fortsätter att samla in data och till och med erbjuda revisioner för att förstå Big Bang och allvar i ett försök att lösa detta kosmologiska förhållande. Observationer från den kosmiska mikrovågsbakgrunden och partikelacceleratorerna leder oss allt närmare en lösning. Mystiken är långt ifrån över.

Citerade verk

Ball, Phillip. "Skepticism hälsar Pitch för att upptäcka mörk energi i labbet." Nature 430 (2004): 126. Tryck.

Barrows, John D, Douglas J. Shaw. "Värdet på den kosmologiska konstanten" arXiv: 1105.3105

Berman, Bob. "Meet the Dark Universe." Upptäck oktober 2004: 36. Skriv ut.

Choi, Charles Q. "Är mörka saker gjorda av små svarta hål?" HuffingtonPost.com . Huffington Post, 14 november 2013. Webben. 25 mars 2016.

Frank, Adam. "Gravity's Gadfly." Upptäck augusti 2006. 34-7. Skriva ut

Giegerich, Petra. "Kosmiska röntgenstrålar kan ge ledtrådar till arten av mörk materia." innovation-report.com . innovationsrapport, 9 februari 2018. Webben. 14 mars 2019.

---. "Fysiker analyserar galaxernas rotationsdynamik och påverkan av fotonens massa." innovation-report.com . innovationsrapport, 5 mars 2019. Webben. 05 april 2019.

Hossenfelder, Sabine. "Är Dark Matter Real?" Scientific American. Aug. 2018. Skriv ut. 40-3.

Kruger, Tyler. "Fallet mot mörk materia. Astronomy.com . Kalmbach Publishing Co., 7 maj 2018. Webb. 10 augusti 2018.

Lee, Chris. "Kolliderande neutronstjärnor tillämpar dödens kyss på teorier om tyngdkraft." arstechnica.com . Kalmbach Publishing Co., 25 oktober 2017. Web. 11 december 2017.

---. "Dykning siver in i världen av Emergent Gravity." arstechnica.com . Kalmbach Publishing Co., 22 maj 2017. Web. 10 november 2017.

Nadis, Frank. "Dark Matter Deniers." Upptäck augusti 2015: 40-3: Skriv ut.

Ouellette, Jennifer. "Dark Matter Recept kräver en del superfluid." quantamagazine.org . Quanta, 13 juni 2017. Web. 20 nov 2017.

Perez, Mario. "Kan mörka saker vara ...?" Astronomi augusti 2012: 51. Tryck.

Scoles, Sarah. "Alternate Theory of Gravity Predicts Dwarf Galaxy." 2013 Astronomi: 19. Tryck.

Skibba, Ramin. "Forskare kontrollerar utrymme för att se om det är tillverkat av kvantbitar." quantamagazine.com . Quanta, 21 juni 2017. Webben. 27 september 2018.

Svital, Kathy A. .. "Darkness Demystified." Upptäck oktober 2004: 11. Skriv ut.

Wolchover, Natalie. "Fallet mot mörkt ärende." quantamagazine.com . Quanta, 29 november 2016. Webben. 27 september 2018.

  • Vad är skillnaden mellan Matter och Antimatter ...
    Även om de kan tyckas vara liknande koncept, gör många funktioner materia och antimateria olika.
  • Einsteins kosmologiska konstant och utvidgningen av ...
    Ansågs av Einstein vara hans