على الرغم من وجود معظم المادة المظلمة في المجرة في هالة ضخمة تحيط بنا ، يتحرك كل جسيم فردي من TM في مدار بيضاوي تحت تأثير الجاذبية. إذا كانت جزيئات TM عبارة عن جسيمات مضادة لنفسها ، وسنكتشف كيفية تسخيرها ، يمكن أن تصبح مصدرًا مثاليًا للطاقة.كل شيء وجدناه في الكون ، من المادة إلى الإشعاع ، يمكن تقسيمه إلى أصغر المكونات. يتكون كل شيء في هذا العالم من ذرات ، تتكون من نوى وإلكترونات ، وتتكون النوى من الكواركات والغلونات. يتكون الضوء أيضًا من جسيمات - فوتونات. حتى الموجات التثاقلية ، نظريًا ، تتكون من الجاذبية: الجسيمات التي يمكننا الحصول عليها وتسجيلها ذات يوم. ماذا عن المادة المظلمة؟ الدليل غير المباشر على وجودها لا يمكن إنكاره وساحقه ، ولكن هل يجب أن يتكون بالضرورة من الجسيمات؟ هذا ما يطلبه القارئ:
إذا كان بالإمكان تعريف الطاقة المظلمة على أنها الطاقة المتأصلة في نسيج الفضاء ، فهل يمكن أن يكون ما نعتبره "مادة مظلمة" أيضًا وظيفة متكاملة للفضاء - يرتبط بقوة أو ضعيف بالطاقة المظلمة؟ أي أنه بدلاً من أن تكون TM تتكون من جزيئات ، هل يمكنها اختراق المساحة كلها بتأثيرات الجاذبية (متجانسة أو غير متجانسة) ، والتي يمكن أن تفسر ملاحظاتنا - شيء مثل "الكتلة المظلمة"؟
دعونا نلقي نظرة على الأدلة ونرى ما يخبرونا عن الاحتمالات.
إن تمدد (أو انكماش) الفضاء هو نتيجة ضرورية لكون يحتوي على كتلة. لكن معدل التوسع وتغيره في الوقت يعتمد كمياً على محتويات الكون.واحدة من أبرز خصائص الكون هي العلاقة المباشرة بين محتواه والتغير في معدل التوسع بمرور الوقت. من خلال العديد من القياسات الدقيقة لمصادر المعلومات الفردية المختلفة - النجوم والمجرات والمستعرات الأعظمية و CMB والبنى واسعة النطاق للكون - تمكنا من قياس كل من هذه الكميات وتحديد تكوين الكون. من حيث المبدأ ، يمكننا أن نتخيل مجموعة كاملة من كل شيء يمكن أن يتكون منه كوننا - ولكن كل هذه الأشياء سيكون لها تأثيرات مختلفة على التوسع الكوني.
مكونات ومساهمات مختلفة في كثافة الطاقة في الكون ووقت هيمنتها المحتملة. إذا كانت الخيوط الكونية وجدران المجال موجودة في كمية ملموسة ، فإنها ستسهم بشكل كبير في توسع الكون.بفضل مجموعة كاملة من البيانات لهذا اليوم ، نعرف ما يتكون الكون من:
- 68 ٪ - الطاقة المظلمة ، التي يتم الاحتفاظ بكثافتها مع توسع الفضاء ؛
- 27 ٪ - المادة المظلمة التي لها تأثير جاذبية ، بكثافة تنخفض مع زيادة الحجم ، لا تتفاعل ، بقدر ما يمكن للمرء أن يحكم بالقياسات ، من خلال بعض التفاعلات الأخرى ؛
- 4.9 ٪ - مادة طبيعية ، تعاني من جميع التفاعلات الفيزيائية ، مع تناقص الكثافة مع زيادة الحجم والتكتل وتتكون من الجسيمات ؛
- 0.1 ٪ - النيوترينوات ، تخضع للتفاعلات النووية الجاذبة والضعيفة ، وتتكون من جزيئات ، لا تجتمع إلا إذا تباطأت بما يكفي للتصرف مثل المادة ، وليس مثل الإشعاع ؛
- 0.01٪ فوتونات تعاني من تفاعلات الجاذبية والكهرومغناطيسية ، وتتصرف مثل الإشعاع ؛ مع زيادة الحجم ، تنخفض كثافته ، ويمتد الطول الموجي.
بمرور الوقت ، تغيرت أهمية هذه المكونات المختلفة ، وتمثل النسب المئوية المشار إليها عالم اليوم.
يتوافق الرسم البياني لسرعة التوسع الظاهرة (المحور ص) مقابل المسافة (المحور س) مع الكون ، الذي توسع في الماضي بشكل أسرع ، لكنه يتوسع اليوم. هذه نسخة حديثة من الرسم البياني ، تمتد آلاف المرات أكثر من عمل هابل الأساسي. تتوافق المنحنيات المختلفة مع التركيبات المختلفة الممكنة للكون.بناءً على أفضل قياساتنا ، فإن الطاقة المظلمة لها نفس الخصائص في مناطق مختلفة من الكون ، في جميع الاتجاهات في السماء وفي جميع لحظات التاريخ الكوني. وبعبارة أخرى ، تبدو الطاقة المظلمة متجانسة ومتناحية: فهي نفسها في كل مكان ودائمًا. على حد علمنا ، لا يجب أن تتكون الطاقة المظلمة من جزيئات ؛ قد يكون ببساطة خاصية متأصلة في نسيج الفضاء.
ومع ذلك ، تختلف المادة المظلمة بشكل أساسي عنها.
في أكبر المقاييس ، لا يمكن إعادة إنتاج مجموعة المجرات المرصودة (الأزرق والبنفسجي) في عمليات محاكاة (حمراء) بدون استخدام المادة المظلمةمن أجل تكوين هياكل الكون التي نلاحظها ، خاصة على المقاييس الكونية الأكبر ، يجب ألا توجد المادة المظلمة فحسب ، بل لديها أيضًا القدرة على التكتل معًا. لا يمكن أن يكون لها نفس الكثافة في جميع أماكن الفضاء ؛ يجب أن تتركز في المناطق ذات الكثافة العالية وتكون متفرقة أو غائبة ببساطة في المناطق ذات الكثافة المنخفضة. يمكننا أن نقول بدقة كم TM موجود في مناطق مختلفة من الفضاء من خلال إجراء ملاحظات مختلفة. وإليك أهم ثلاث ملاحظات.
تعتبر البيانات الخاصة بالمجموعات (النقاط) والتنبؤات واسعة النطاق التي تستند إلى كون يحتوي على 85٪ مادة مظلمة و 15٪ مادة عادية (خط متصل) دقيقة للغاية. يشير انحناء الخط إلى درجة حرارة TM ؛ تميز درجة الانحراف نسبة المادة المظلمة والعادية.1) الكثافة الطيفية للمادة : من الضروري تحديد موقع المادة في الكون ، انظر إلى أي مدى يكون ارتباط المجرات مرئيًا - مقياس لاحتمال وجود المجرات على مسافة معينة من المجرة المحددة - ووضع علامة عليها جميعًا. إذا كان الكون يتألف من مادة متجانسة ، فإن البنية الناتجة ستكون ضبابية. إذا لم تتكتل TM في الكون في بداية التطور ، فسيتم تدمير البنية على نطاق صغير. تخبرنا الكثافة الطيفية للمادة أن ما يقرب من 85 ٪ من المادة في الكون تنتمي إلى TM ، والتي تختلف تمامًا عن البروتونات والنيوترونات والإلكترونات ، ويبدو أن هذا TM بارد ، أو مع طاقة حركية منخفضة مقارنة بكتلته المتبقية.
يوضح التوزيع الجماعي في مجموعة المجرات Abell 370 التي أعيد إنشاؤها من خلال العدسة التثاقلية هالتين كبيرتين ومفتوحتين تقابلان مجموعتين مدمجتين من HMs. حول حجم كل مجرة ، وكل عنقود ، ومجموعات ضخمة من المادة ، يوجد في المتوسط 5 مرات أكثر من TM.2) عدسة الجاذبية . إذا نظرت إلى جسم ضخم ، مثل الكوازار أو المجرة أو مجموعة من المجرات ، سترى كيف يشوه وجودها ضوء الأجسام خلفها. بما أننا نعرف قوانين الجاذبية التي تتحكم فيها النسبية العامة لأينشتاين ، بناءً على انحناء الضوء ، يمكننا حساب كمية الكتلة الموجودة في كل كائن. بفضل مجموعة كاملة من الطرق المختلفة ، يمكننا تحديد كمية الكتلة الموجودة في المواد الطبيعية: النجوم والغاز والغبار والثقوب السوداء والبلازما ، إلخ. ومرة أخرى ، نجد أنه ، في المتوسط ، يجب أن تتعلق 85 ٪ من المادة بـ HM ، علاوة على ذلك ، يتم توزيع HM بطريقة أكثر انتشارًا وشبيهة بالسحابة ، على عكس المادة الطبيعية الكثيفة. هذا ما تؤكده العدسة الضعيفة والقوية.
يختلف هيكل رشقات الإشعاع المرخّص اعتمادًا على محتويات الكون3) الإشعاع المتبقي . إذا درسنا التوهج المتبقي من الإشعاع المتبقي من الانفجار الكبير ، يمكننا أن نجد أنه متجانس تقريبًا: 2.725 كلفن في جميع الاتجاهات. إذا كنت تتعمق في التفاصيل ، فسيكون من الواضح أن لديها عيوبًا صغيرة في ترتيب عشرات ومئات الميكرونات في جميع المقاييس الزاوية. تخبرنا هذه التقلبات بالعديد من الأشياء المهمة ، بما في ذلك نسبة كثافة المواد الطبيعية ، والمادة المظلمة والطاقة المظلمة ، ولكن أهم شيء يتحدثون عنه هو مدى اتساق الكون في عمر 0.003٪ من التيار ، ثم كانت أقسامه الأكثر كثافة فقط 0.01٪ أكثر كثافة من الأقل كثافة. وبعبارة أخرى ، بدأت المادة المظلمة موحدة تمامًا ، وتكتلت في النهاية!
تقترح دراسة تفصيلية للكون أنها تتكون من مادة ، لكنها ليست مادة مضادة ؛ يجب أن تكون المادة المظلمة والطاقة المظلمة موجودة فيها ، وأن مصادر هذه المواد الغامضة غير معروفة لنا. ومع ذلك ، فإن تقلبات إشعاع الإشعاع CMB ، والتشكيل والارتباط بين الهياكل واسعة النطاق والملاحظات الحديثة للعدسة الجاذبية - كل هذا يتقارب في نفس الصورة.بعد جمع كل هذا معًا ، نصل إلى استنتاج مفاده أن TM ملزم بالتصرف مثل سائل يتخلل الكون. هذا السائل له ضغط ضئيل ولزوجة ، ويستجيب لضغط الإشعاع ، ولا يتصادم مع الفوتونات أو المواد الطبيعية ، وقد ولد بارداً وغير نسبي ، ويتجمع معًا تحت تأثير جاذبيته. يتحكم في تكوين هياكل الكون على أكبر المقاييس. إنه غير متجانس للغاية ، ويزداد حجم عدم تجانسه مع مرور الوقت.
إليك ما يمكننا قوله عن هذا على أوسع نطاق - حيث توجد ملاحظات. على نطاق صغير ، نشك - ولكننا لسنا متأكدين - أن المادة المظلمة تتكون من جزيئات ذات خصائص تجعلها تتصرف على نطاق واسع عند حدوثها. نحن نفترض ذلك لأن الكون ، على حد علمنا ، يتألف ببساطة من جسيمات ، وهذا كل شيء! إذا كان الأمر كذلك ، إذا كان لديه كتلة ، فإنه يحتوي أيضًا على ضعف كمّي - وعلى مستوى ما يجب أن يكون جسيمات. ولكن حتى نكتشف هذا الجسيم مباشرة ، ليس لدينا طريقة لرفض احتمال آخر - أن TM هو مجال معين يتصرف مثل السائل ، ولكنه يؤثر على الزمكان بنفس الطريقة التي تؤثر بها مجموعات الجسيمات.
القيود التجريبية على المادة المظلمة ، التي تتكون من WIMPs ، صارمة للغاية. يستثني المنحنى الأدنى المقاطع العرضية والكتل لكل ما يقع فوقهلذلك ، تعد محاولات اكتشاف TM مباشرة مهمة جدًا! بصفتي مُنظِر كتب دكتوراه في تكوين هياكل واسعة النطاق ، أفهم جيدًا أنه يمكننا تحقيق الكثير في مجال التنبؤ بالملاحظات على نطاق واسع. لكن ما لا يمكننا القيام به نظريًا هو أن نقول ما إذا كان TM يتكون من جسيمات أم لا. الطريقة الوحيدة للتحقق من ذلك هي اكتشافها مباشرة ؛ بدون هذا ، يمكن جمع أدلة غير مباشرة مقنعة ، لكنها لن تكون حاسمة. على ما يبدو ، لا علاقة لها بالطاقة المظلمة ، لأن الأخيرة متجانسة حقًا في جميع أنحاء الفضاء ، وتنبئنا التنبؤات بدقة تامة بكيفية تفاعلها من خلال الجاذبية والتفاعلات الأخرى على نطاق واسع.
تتحكم تدفقات المادة المظلمة في تراكم المجرات وتشكيل هياكل واسعة النطاق - ويمكن ملاحظة ذلك في هذه المحاكاة من KIPAC / Stanfordولكن هل تتكون من جسيمات؟ حتى نكتشف هذا الجسيم ، يمكننا التكهن به فقط. يوضح الكون جوهره الكمومي ، على الأقل لجميع أنواع المادة ، لذلك فمن المنطقي أن نفترض أن المادة المظلمة ستكون هي نفسها. ومع ذلك ، يجب أن نتذكر أن هذا المنطق له حدوده. بعد كل شيء ، في النهاية ، كل شيء وفي كل مكان يطيع نفس القواعد ، ولكن فقط حتى يتوقف عن الامتثال لها! مع TM ، نحن في منطقة مجهولة ، ومن المهم جدًا الحفاظ على التواضع في مواجهة الأسرار العظيمة للكون.