Tanya Ethan: bisakah materi gelap tidak terdiri dari partikel?

Meskipun sebagian besar materi gelap di galaksi ada dalam lingkaran besar yang menyelimuti kita, masing-masing partikel TM bergerak dalam orbit elips di bawah pengaruh gravitasi. Jika partikel TM adalah antipartikel untuk dirinya sendiri, dan kami akan mencari cara untuk memanfaatkannya, mereka dapat menjadi sumber energi yang ideal.

Segala sesuatu yang pernah kita temukan di alam semesta, dari materi hingga radiasi, dapat dipecah menjadi komponen terkecil. Segala sesuatu di dunia ini terdiri dari atom-atom, yang terdiri dari nuklei dan elektron, dan nuklei terdiri dari quark dan gluon. Cahaya juga terdiri dari partikel - foton. Bahkan gelombang gravitasi, secara teoritis, terdiri dari graviton: partikel yang suatu hari bisa kita dapatkan dan daftarkan. Bagaimana dengan materi gelap? Bukti tidak langsung keberadaannya tidak dapat disangkal dan luar biasa, tetapi haruskah itu terdiri dari partikel? Inilah yang diminta pembaca kepada kami:

Jika energi gelap dapat didefinisikan sebagai energi yang melekat dalam jalinan ruang, mungkinkah apa yang kita rasakan sebagai "materi gelap" juga merupakan fungsi integral ruang - yang terkait erat atau tidak dengan energi gelap? Artinya, alih-alih TM yang terdiri dari partikel, dapatkah ia menembus seluruh ruang dengan efek gravitasi (homogen atau tidak homogen), yang dapat menjelaskan pengamatan kami - sesuatu seperti "massa gelap"?

Mari kita lihat buktinya dan lihat apa yang mereka katakan tentang kemungkinannya.


Perluasan (atau kontraksi) ruang adalah konsekuensi yang diperlukan dari alam semesta yang mengandung massa. Tetapi laju ekspansi dan perubahan waktu secara kuantitatif tergantung pada isi Semesta.

Salah satu sifat paling luar biasa dari Semesta adalah hubungan langsung antara kontennya dan perubahan dalam laju ekspansi seiring waktu. Melalui banyak pengukuran cermat berbagai sumber informasi individu - bintang, galaksi, supernova, CMB, struktur berskala besar dari Semesta - kami dapat mengukur kedua kuantitas ini dan menentukan komposisi Semesta. Pada prinsipnya, kita dapat membayangkan seluruh rangkaian yang dapat terdiri dari Semesta kita - tetapi semua hal ini akan memiliki efek berbeda pada ekspansi kosmik.


Berbagai komponen dan kontribusi pada kerapatan energi Semesta dan waktu dominasi mereka. Jika string kosmik dan dinding domain ada dalam jumlah yang nyata, mereka akan memberikan kontribusi yang signifikan terhadap ekspansi Semesta.

Berkat seperangkat data lengkap untuk hari ini, kami tahu apa isi Semesta:

• 68% - energi gelap, yang kepadatannya dipertahankan dengan perluasan ruang;
• 27% - materi gelap yang memberikan efek gravitasi, dengan kepadatan yang berkurang dengan meningkatnya volume, tidak berinteraksi, sejauh yang dapat dinilai dari pengukuran, oleh beberapa interaksi lainnya;
• 4,9% - materi normal, mengalami semua interaksi fisik, dengan kepadatan menurun dengan meningkatnya volume, penggumpalan, dan terdiri dari partikel;
• 0,1% - neutrino, tunduk pada interaksi nuklir gravitasi dan lemah, terdiri dari partikel, bergabung hanya jika mereka melambat cukup untuk berperilaku seperti materi, dan tidak seperti radiasi;
• 0,01% foton mengalami interaksi gravitasi dan elektromagnetik, berperilaku seperti radiasi; saat volume meningkat, densitasnya berkurang, dan panjang gelombang membentang.

Seiring waktu, pentingnya berbagai komponen ini telah berubah, dan persentase yang ditunjukkan mewakili Semesta saat ini.


Grafik dari kecepatan ekspansi semu (sumbu y) versus jarak (sumbu x) sesuai dengan Semesta, yang pada masa lalu meluas lebih cepat, tetapi meluas saat ini. Ini adalah versi modern dari grafik, memperpanjang ribuan kali lebih jauh dari pekerjaan utama Hubble. Kurva yang berbeda sesuai dengan komposisi yang mungkin berbeda dari alam semesta.

Berdasarkan pengukuran terbaik kami, energi gelap memiliki sifat yang sama di berbagai wilayah Semesta, di semua arah di langit dan di semua momen sejarah kosmik. Dengan kata lain, energi gelap terlihat homogen dan isotropik: sama di mana-mana dan selalu sama. Sejauh yang kita tahu, energi gelap tidak harus terdiri dari partikel; itu mungkin hanya sebuah properti yang melekat dalam jalinan ruang.

Namun, materi gelap berbeda secara mendasar darinya.


Pada skala terbesar, gugusan galaksi yang diamati (biru dan ungu) tidak dapat direproduksi dalam simulasi (merah) tanpa menggunakan materi gelap

Untuk pembentukan struktur Alam Semesta yang kita amati, terutama pada skala kosmik terbesar, materi gelap tidak hanya ada, tetapi juga memiliki kemampuan untuk berkelompok. Itu tidak dapat memiliki kepadatan yang sama di semua tempat ruang; itu harus terkonsentrasi di daerah kepadatan tinggi dan jarang atau tidak ada di daerah kepadatan rendah. Kita dapat secara akurat mengatakan berapa banyak TM yang terkandung di berbagai wilayah ruang dengan melakukan berbagai pengamatan. Dan inilah tiga pengamatan paling penting.


Data pada kelompok skala besar (titik) dan prediksi berdasarkan alam semesta yang mengandung 85% materi gelap dan 15% materi normal (garis padat) sangat akurat. Lengkungan garis menunjukkan suhu TM; tingkat deviasi mencirikan rasio materi gelap dan biasa.

1) Kerapatan spektral materi : perlu untuk menetapkan lokasi materi di Alam Semesta, melihat pada skala apa korelasi galaksi terlihat - ukuran probabilitas kehadiran galaksi pada jarak tertentu dari yang dipilih - dan tandai semuanya. Jika Semesta terdiri dari materi yang homogen, struktur yang dihasilkan akan buram. Jika TM di Semesta tidak menggumpal pada awal pengembangan, struktur dalam skala kecil akan hancur. Kepadatan spektral materi memberitahu kita bahwa sekitar 85% dari materi di Semesta adalah milik TM, yang sama sekali berbeda dari proton, neutron, dan elektron, dan TM ini tampak dingin, atau dengan energi kinetik rendah dibandingkan dengan massa lainnya.


Distribusi massa dalam gugusan galaksi Abell 370 yang diciptakan kembali melalui pelensaan gravitasi menunjukkan dua lingkaran cahaya besar dan terbuka yang sesuai dengan dua kelompok penggabungan HM. Di sekitar dan di seluruh volume masing-masing galaksi, setiap kluster, dan kelompok materi yang sangat besar, ada rata-rata 5 kali lebih banyak TM.

2) Pelensaan gravitasi . Jika Anda melihat benda besar, seperti quasar, galaksi, atau gugusan galaksi, Anda akan melihat bagaimana keberadaannya mendistorsi cahaya benda di belakangnya. Karena kita mengetahui hukum gravitasi yang dikendalikan oleh relativitas umum Einstein, berdasarkan kelengkungan cahaya, kita dapat menghitung jumlah massa yang ada di setiap objek. Berkat seluruh rangkaian metode yang berbeda, kita dapat menentukan jumlah massa yang ada dalam materi normal: bintang, gas, debu, lubang hitam, plasma, dll. Dan lagi, kami menemukan bahwa, rata-rata, 85% dari masalah tersebut harus terkait dengan HM, dan terlebih lagi, HM didistribusikan dengan cara yang lebih menyebar, seperti awan, berbeda dengan materi normal yang padat. Ini dikonfirmasi oleh lensa yang lemah dan kuat.


Struktur semburan CMB bervariasi sesuai dengan isi alam semesta

3) Radiasi peninggalan . Jika kita mempelajari pancaran sisa radiasi yang tersisa dari Big Bang, kita dapat menemukan bahwa itu kira-kira seragam: 2,725 K di semua arah. Jika Anda mempelajari detailnya, akan menjadi jelas bahwa ia memiliki ketidaksempurnaan kecil pada urutan puluhan dan ratusan mikron pada semua skala bersudut. Fluktuasi ini memberi tahu kita banyak hal penting, termasuk rasio kerapatan materi normal, materi gelap dan energi gelap, tetapi hal terpenting yang mereka bicarakan adalah seberapa seragam Semesta pada usia 0,003% dari arus, dan kemudian bagian terpadatnya hanya 0,01% lebih padat dari yang paling padat. Dengan kata lain, materi gelap mulai sepenuhnya seragam, dan akhirnya menggumpal!


Sebuah studi terperinci tentang Semesta menunjukkan bahwa ia terdiri dari materi, tetapi bukan antimateri; bahwa materi gelap dan energi gelap harus ada di dalamnya, dan bahwa sumber zat misterius ini tidak diketahui oleh kita. Namun, fluktuasi radiasi CMB, pembentukan dan korelasi antara struktur skala besar dan pengamatan modern dari pelensaan gravitasi - semuanya menyatu dalam gambar yang sama.

Setelah mengumpulkan semua ini bersama-sama, kita sampai pada kesimpulan bahwa TM berkewajiban untuk berperilaku seperti cairan yang menembus Alam Semesta. Cairan ini memiliki tekanan dan viskositas yang dapat diabaikan, ia merespons terhadap tekanan radiasi, tidak bertabrakan dengan foton atau materi normal, ia terlahir dingin dan non-relativistik, dan mengumpul di bawah pengaruh gravitasinya sendiri. Ia mengontrol pembentukan struktur Semesta pada skala terbesar. Ini sangat tidak homogen, dan besarnya heterogenitasnya meningkat seiring waktu.



Inilah yang dapat kita katakan tentang ini pada skala terbesar - di mana ada pengamatan. Dalam skala kecil, kami menduga - tetapi tidak yakin - bahwa materi gelap terdiri dari partikel dengan sifat-sifat yang membuatnya berperilaku dalam skala besar seperti yang terjadi. Kami menganggap ini karena Semesta, sejauh yang kami tahu, hanya terdiri dari partikel, dan hanya itu! Jika itu penting, jika memiliki massa, maka ia juga memiliki kuantum ganda - dan pada tingkat tertentu itu harus berupa partikel. Tetapi sampai kita secara langsung mendeteksi partikel ini, kita tidak memiliki cara untuk menolak kemungkinan lain - bahwa TM adalah bidang tertentu yang berperilaku seperti cairan, tetapi memengaruhi ruang-waktu dengan cara yang sama seperti kelompok-kelompok partikel.


Pembatasan eksperimental pada materi gelap, yang terdiri dari WIMP , sangat ketat. Kurva terendah tidak termasuk penampang dan massa TM untuk semua yang berada di atasnya

Karena itu, upaya untuk mendeteksi TM secara langsung sangat penting! Sebagai ahli teori yang menulis gelar doktornya tentang topik pembentukan struktur skala besar, saya mengerti betul bahwa kita dapat mencapai banyak hal di bidang prediksi pengamatan dalam skala besar. Tapi yang tidak bisa kita lakukan secara teori adalah mengatakan apakah TM terdiri dari partikel atau tidak. Satu-satunya cara untuk memeriksanya adalah dengan mendeteksinya secara langsung; tanpa ini, bukti tidak langsung yang meyakinkan dapat dikumpulkan, tetapi mereka tidak akan konklusif. Tampaknya, itu sama sekali tidak terhubung dengan energi gelap, karena yang terakhir benar-benar seragam di seluruh ruang, dan prediksi cukup akurat memberitahu kita bagaimana ia berinteraksi melalui gravitasi dan interaksi lainnya dalam skala besar.


Aliran materi gelap mengontrol akumulasi galaksi dan pembentukan struktur skala besar - ini dapat dilihat dalam simulasi ini dari KIPAC / Stanford

Tetapi apakah itu terdiri dari partikel? Sampai kita menemukan partikel ini, kita hanya bisa berspekulasi tentangnya. Alam semesta menunjukkan esensi kuantumnya, setidaknya untuk semua jenis materi, jadi masuk akal untuk berasumsi bahwa materi gelap akan sama. Namun, harus diingat bahwa alasan tersebut memiliki keterbatasan. Bagaimanapun, pada akhirnya, segala sesuatu dan di mana-mana mematuhi aturan yang sama, tetapi hanya sampai ia berhenti menaatinya! Dengan TM, kita berada di wilayah yang belum dipetakan, dan sangat penting untuk menjaga kesederhanaan dalam menghadapi misteri besar alam semesta.