Astronomer kortlægger mørkt stof indirekte via dens tyngdekraften på andre objekter.
Paul M. Sutter er en astrofysiker hos Ohio State University, vært for Spørg en Spaceman og Space Radio, og forfatter af "Dit sted i universet."Sutter bidrog med denne artikel til Space.com's ekspertstemmer: Op-Ed & Insights.
Den moderne undersøgelse af hele universet, den gren af videnskab, der er kendt som kosmologi, skylder sin nuværende status til mange bemærkelsesværdige figurer, der går tilbage over næsten et århundrede med dedikeret, hårdt vundet forskning.
Nogle af disse navne er muligvis kendte: Albert Einstein, Edwin Hubble, Vera Rubin osv. Men for nylig anerkendte Nobelprisudvalget bidragene fra et navn, du muligvis ikke genkender, Jim Peebles og gav ham halvdelen af 2019-fysikprisen, "til bidrag til vores forståelse af universets udvikling og Jordens plads i kosmos."
Det er tilstrækkeligt at sige, kosmologi ville ikke være, hvor den er i dag uden Jim Peebles indsats. Det er en ting at angive Big Bang-model i enkelhed på bagsiden af en T-shirt (f.eks. "universet plejede at være mindre og varmere, og nu er det ikke"), men det er en helt anden ting at omdanne det til en præcis matematisk formulering, der er i stand til at fremsætte forudsigelser at sammenligne med observationer. Det er rimeligt at sige, at Peebles hjalp med at omdanne kosmologi fra "pæn og generelt korrekt idé" til "et felt af ægte videnskab." Lad os udforske tre vigtigste veje, hvor hans indsigt har ledet os:
Den kosmiske mikrobølge baggrund
Hvis det tidlige univers var mindre end det er i dag, må det også have været varmere og mere tæt. Og når du først accepterer denne virkelighed, indser du hurtigt, at på et tidspunkt i den fjerne fortid, universet må have været så tæt og så varm, at det eksisterede i en helt anden stofstilstand.
For over 13 milliarder år siden, da universet var omkring en milliondel af dets nuværende volumen, blev alle tingene i kosmos så smugede sammen, at det var et plasma, en tilstand af stof, hvori elektronerne rives fra atomer og er fri til strejfe rundt på egen hånd. Dengang var universet temmelig intenst.
Men så blev det ældre, det blev større og det blev koldere. Og i en bestemt alder faldt temperaturerne og trykket under en kritisk tærskel, og elektroner var i stand til at knytte sig til atomer uden straks at blive slået af. På et blitz blev universet gennemsigtigt for stråling, og dette lys - bogstaveligt talt hvidt-varmt i det øjeblik, det blev frigivet - vedvarer indtil i dag og blødgør kosmos.
Men i dag har lyset mistet meget damp og køler kun få grader over absolut nul, fast i mikrobølgebåndet. Det her "kosmisk mikrobølge baggrund"ved et uheld blev opdaget af et par mikrobølgefysikere i 1964, men uvidende om dem havde en gruppe teoretikere, inklusive Peebles, allerede forudsagt dens eksistens. Mikrobølgefysikerne vandt Nobel i 1978, men det er aldrig for sent for Nobelkomiteen at anerkende teoretikere også.
Mørkt stof
I 1970'erne astronom Vera Rubin opdagede noget sjovt, der foregik med galakser: stjernerne inde i dem kredsede alt for hurtigt. Så hurtigt faktisk, at galakserne burde have kastet sig fra hinanden for milliarder af år siden. Men der var de glade som muslinger.
Hvad sker der? Forstod vi ikke noget om tyngdekraftens karakter i så store skalaer som galakser? Eller havde universet en ekstra ingrediens, der var skjult for os indtil Rubins observationer?
Nogle astronomer, inklusive Rubin selv, mente, at vi var nødt til at finpusse fysikkens love for at få tingene rigtige. Men andre, inklusive Peebles, regnede med, at der var mere i en galakse, end der møder øjet. Han var en af de tidligste fortalere for det, vi nu kalder "kold mørk materie" - en ny form for stof, der ikke interagerer med lys (og dermed ikke interagerer med noget andet undtagen gennem tyngdekraften). Det ved vi nu mørkt stof mætter universet og oversvømmer normal stof med mindst 5: 1.
Peebles og samarbejdspartnere gjorde en indsats for at undersøge, hvad denne nye hypotese ville betyde med hensyn til galakseopførsel, og leverede nyttige test for observatører til at målrette og måle.
I dag, mens vi stadig ikke fuldt ud forstår mørk stof - og vi endnu ikke har identificeret dens nøjagtige identitet - er beviset kommet fra flere vinkler, inklusive subtile aftryk i selve den kosmiske mikrobølgebakgrund, at mørke stof er en vigtig ingrediens i vores univers.
Kosmisk struktur
Men Peebles stoppede ikke med de tidligste øjeblikke af Big Bang eller mystiske og usynlige komponenter til vores univers. Peebles blev store veje store.
Vi ser i universet omkring os alle slags forskellige galakser i alle slags fantasifulde arrangementer. Nogle galakser er bundet sammen i gigantiske klynger, mens andre er ensomme. Nogle er enorme og hulke, og andre er små og næppe mærkbare. Og når vi zoomer ud til de allerbedste skalaer, ser vi en enorm "kosmisk web, "det største mønster, der findes i naturen, en struktur, der strækker sig fra den ene ende af det synlige univers til den anden.
Den kosmiske bane er lavet af galakser, og ligner navnet antyder en kosmisk edderkoppespind.
Hvordan at ske?
Peebles og hans venner førte vejen til at forklare oprindelsen af den kosmiske bane, ved at finde ud af, at strukturer i vores univers vokser langsomt over tid og bygger sig op fra mindre bits til større bits med hver forbipasserende eon.
De fandt, hvordan man kiggede efter antydninger til strukturens frø i den kosmiske mikrobølgebakgrund, synlige som små variationer i temperaturen, der ikke er større end 1 del i 100.000. Disse variationer var placeringen af de første puljer med lidt højere end gennemsnittet densitet, hvor mere stof (især mørkt stof!) Ville strømme i løbet af millioner af år.
Til sidst ville de små klodser vokse til at blive galakser, og nogle galakser blev samlet sammen for at danne klynger af galakser. Og da alt det, der plejede at opbygge disse store strukturer, måtte komme fra et sted, åbnede og udvidede enorme tomme regioner. Disse blev hullerne i den kosmiske bane, kendt som hulrum.
I løbet af årtier har Jim Peebles skrevet hundreder af papirer og samarbejdet med hundreder af astronomer, astrofysikere, fysikere og kosmologer, og han var en kritisk spiller i at male det portræt af universet, som vi nu forstår.
- Nobelpris i fysik: 1901-nutiden
- Dark Matter and Dark Energy: The Mystery Explained (Infographic)
- 11 ubesvarede spørgsmål om mørke spørgsmål
Du kan lytte til Ask A Spaceman-podcasten påiTunes, og på Internettet kl http://www.askaspaceman.com. Stil dit eget spørgsmål på Twitter ved hjælp af #AskASpaceman, eller ved at følge Paul @PaulMattSutter og facebook.com/PaulMattSutter. Følg os på Twitter @Spacedotcom eller Facebook.
