Уся наша касмічная гісторыя тэарэтычна добра вывучана, але толькі якасна. Менавіта па назіранні, пацвярджаючы і раскрываючы розныя этапы мінулага нашай Сусветы, якія павінны былі адбыцца, напрыклад, калі ўтварыліся першыя зоркі і галактыкі, мы сапраўды можам зразумець наш космас. Часовае паходжанне цёмнай матэрыі і цёмнай энергіі маюць абмежаванні, але дакладны час паходжання невядомы. (NICOLE RAGER FULLER / НАЦЫЯНАЛЬНАЯ ФАНДАЦЫЯ НАВУКІ)

Спытайце ў Ітана: Калі былі створаныя цёмныя рэчы і цёмная энергія?

Сёння яны складаюць 95% нашага Сусвету, але яны не заўсёды былі настолькі важныя.

Адна з самых дзіўных загадак пра Сусвет - гэта проста "дзе ўсё?" Усё, што мы можам бачыць, знаходзіць ці ўзаемадзейнічаць, складаецца з часціц стандартнай мадэлі, уключаючы фатоны, нейтрына, электроны, кваркі і глюоны, якія складаюць будаўнічыя блокі нашых атамаў. Аднак, калі мы глядзім на касмічны акіян, мы выяўляем, што ўсё гэта складае крыху менш за 5% усёй энергіі ў Сусвеце; астатняе нябачна. Мы называем адсутныя кампаненты цёмнай энергіяй (68%) і цёмнай матэрыяй (27%), але мы не ведаем, што яны. Ці ведаем мы нават, калі яны ўзніклі? Вось што хоча ведаць Алон Дэвід:

Сёння [звычайная матэрыя] складае ўсяго 4,9%, у той час як Dark Matter і Dark Energy займаюць астатняе. Адкуль яны ўзяліся?

Давайце даведаемся.

З канца інфляцыі і пачатку гарачага Вялікага выбуху мы можам прасачыць нашу касмічную гісторыю. Цёмная матэрыя і цёмная энергія - неабходныя інгрэдыенты сёння, але калі яны ўзніклі, пакуль не вырашана. (Э. СІГЕЛ, З ВЫПУСКІ, ЯКІЯ ПЕРАДАЧАЮЦЬ З ЕГА / ПЛАНК І ІНТЕРАГЕНЦЫЙНАЯ ЗАДАЧА НАДА НАСА / НАСА / НСФ НА КСБ

Там так шмат, што мы не ведаем пра цёмную матэрыю і цёмную энергію, але ёсць вельмі шмат рэчаў, якія мы можам канчаткова сказаць пра іх. Мы назіралі, што цёмная энергія ўплывае на пашырэнне Сусвету, толькі яна становіцца прыкметнай і заўважнай прыблізна ад 6 да 9 мільярдаў гадоў таму. Здаецца, ва ўсіх напрамках аднолькавы; аказваецца, ён мае пастаянную шчыльнасць энергіі на працягу ўсяго часу; Здаецца, ён не збіваецца, не кластар, ні анты-кластар з матэрыяй, што сведчыць аб яго раўнамернасці ў прасторы. Калі мы паглядзім на тое, як Сусвет пашыраецца, цёмная энергія зусім неабходная, прычым прыблізна 68% усёй энергіі Сусвету ў цяперашні час існуе ў выглядзе цёмнай энергіі.

Розныя магчымыя лёсы Сусвету, з нашага сапраўднага, паскаральнага лёсу, паказанага справа. Калі пройдзе дастаткова часу, паскарэнне пакіне кожную звязаную галактычную або звышгалактычную структуру, цалкам ізаляваную ва Сусвеце, паколькі ўсе астатнія структуры паскараюцца назад. Мы можам толькі зазірнуць у мінулае, каб зрабіць выснову аб наяўнасці цёмнай энергіі. (НАСА і ЕКА)

Цёмная матэрыя, з іншага боку, паказала свае эфекты на працягу ўсёй 13,8 мільярда гадоў гісторыі нашага Сусвету. Вялікая касмічная структура структуры, пачынаючы з самых ранніх часоў і да нашых дзён, патрабуе, каб цёмная матэрыя існавала прыблізна ў пяць разоў, чым колькасць звычайнай матэрыі. Цёмная матэрыя робіць груд і навалы, і яе наступствы можна заўважыць пры фарміраванні самых ранніх квазараў, галактык і аблокаў газу. Яшчэ да гэтага гравітацыйныя эфекты цёмнай матэрыі выяўляліся ў самым раннім святле Сусвету: касмічны мікрахвалевы фон або рэшткі свяціла з Вялікага выбуху. Звычай недасканаласці патрабуе, каб Сусвет складалася з каля 27% цёмнай матэрыі, у параўнанні з толькі 5% нармальнай матэрыі. Без гэтага ўсё, што мы назіраем, было б немагчыма растлумачыць.

Лепшая карта CMB і лепшыя абмежаванні на цёмную энергію і параметр Хабла ад яе. Мы прыходзім да Сусвету, якая мае 68% цёмнай энергіі, 27% цёмнай матэрыі і ўсяго 5% нармальнай матэрыі з гэтага і іншых сведчанняў. (ESA & THE PLANCK SLABORATION (TOP); PAR ADE ET AL., 2014, A&A (BOTTOM).)

Але ці абавязкова гэта азначае, што цёмная матэрыя і цёмная энергія былі створаны яшчэ ў момант Вялікага выбуху? Ці ёсць іншыя магчымасці? Цяжкая справа ў Сусвеце ў тым, што мы бачым толькі тыя яе часткі, якія сёння даступныя нам. Калі эфект занадта маленькі, каб заўважыць - напрыклад, калі іншыя эфекты важнейшыя - мы можам рабіць толькі высновы, а не цвёрдыя высновы.

Гэта асабліва праблематычна для цёмнай энергіі. Па меры пашырэння Сусвету ён разводзіць; аб'ём павялічваецца, а агульная колькасць часціц у ім застаецца ранейшай. Шчыльнасць матэрыі (як звычайнай, так і цёмнай) зніжаецца; шчыльнасць выпраменьвання зніжаецца яшчэ хутчэй (паколькі колькасць часціц не толькі падае, але і энергія на фотан падае з-за чырвонага зруху); але шчыльнасць цёмнай энергіі застаецца пастаяннай.

Калі рэчыва і выпраменьванне становяцца менш шчыльнымі, паколькі Сусвет пашыраецца з-за павелічэння аб'ёму, цёмная энергія - гэта форма энергіі, уласцівая самому космасу. Па меры стварэння новай прасторы ў Сусвеце, якая пашыраецца, цёмная шчыльнасць энергіі застаецца пастаяннай. (Э. СІГЕЛ / У ГАЛАКСІІ)

У нашай Сусвеце сёння можа пераважаць цёмная энергія, але гэта параўнальна нядаўні выпадак. У мінулым Сусвет была меншай і шчыльней, а значыць, шчыльнасць матэрыі (і выпраменьвання) была значна вышэйшай. Каля 6 мільярдаў гадоў таму шчыльнасць матэрыі і цёмнай энергіі была роўнай; каля 9 мільярдаў гадоў таму цёмная шчыльнасць энергіі была дастаткова нізкай, каб яе ўплыў на хуткасць пашырэння Сусвету быў не прыкметны. Чым далей мы экстрапалюем назад у часе (альбо памер / маштаб Сусвету), тым складаней бачыць і вымяраць эфекты цёмнай энергіі.

Сіняе

Наколькі мы можам, здаецца, што цёмная энергія мае абсалютна пастаянную шчыльнасць энергіі. Мы можам выкарыстоўваць дадзеныя, якія мы маем, каб абмежаваць стан цёмнай энергіі, якое мы параметрызуем велічынёй, вядомай як w. Калі цёмная энергія дакладна касмалагічная канстанта, то w = -1, дакладна, і не мяняецца з цягам часу. Мы выкарыстоўвалі поўны набор касмалагічных дадзеных, якія мы маем - ад буйнамаштабнай структуры, ад касмічнага мікрахвалевага фону, ад аб'ектаў на вялікіх касмічных адлегласцях -, каб як мага лепш стрымліваць w. Самыя жорсткія абмежаванні адбываюцца з-за акустычных ваганняў барыёна і кажуць нам, што w = -1,00 ± 0,08, з будучымі абсерваторыямі, такімі як LSST і WFIRST, каб атрымаць гэтыя нявызначанасці да прыблізна 1%.

Ілюстрацыя таго, як з часам змяняюцца шчыльнасці выпраменьвання (чырвоны), нейтрына (пункцір), матэрыі (сіні) і цёмнай энергіі (кропкавая). У гэтай новай мадэлі цёмная энергія будзе заменена цвёрдай чорнай крывой, якая дагэтуль нічым не адрозніваецца ад цёмнай энергіі, якую мы мяркуем. (Малюнак 1 ад F. SIMPSON ET AL. (2016), VIA ARXIV.ORG/ABS/1607.02515)

Гэта не абавязкова азначае, што цёмная энергія заўсёды існавала з пастаяннай шчыльнасцю энергіі. Яно можа змяняцца з цягам часу, пакуль яно мяняецца ў рамках назіральных абмежаванняў. Магчыма, існуе сувязь паміж цёмнай энергіяй і першапачатковым пашырэннем Сусвету перад Вялікім выбухам, вядомым як касмічная інфляцыя. Ці цёмная энергія можа быць эфектам, які не існаваў на самых ранніх этапах Сусвету і выяўляўся толькі ў познія часы.

У нас няма ніякіх доказаў, якія б так ці інакш гаварылі пра наяўнасць або адсутнасць цёмнай энергіі на працягу першых 4 мільярдаў гадоў або каля гісторыі Сусвету. У нас ёсць важкія прычыны меркаваць, што ён не змяніўся, але не назіраецца ўпэўненасць у назіранні, каб падмацаваць яго.

Самыя маштабныя назіранні ў Сусвеце: ад касмічнага мікрахвалевага фону да касмічнага палатна да кластараў галактык да асобных галактык, для тлумачэння таго, што мы назіраем, патрабуецца цёмная матэрыя. Гэта патрабуе вялікая структура маштабу, але і насенне гэтай структуры, з касмічнага мікрахвалевага фону, патрабуюць і гэтага. (CHRIS BLAKE AND SAM MOORFIELD)

Цёмная матэрыя, з іншага боку, павінна існаваць з самых ранніх часоў. Заканамернасць ваганняў, якую мы назіраем у CMB, з'яўляецца самым раннім доказам цёмнай матэрыі ў нашай Сусвеце, які прыпадае прыкладна на 380 000 гадоў пасля Вялікага выбуху. Тым не менш, ужо адлюстраваны ў карцінах вяршынь і далін у вуглавых ваганнях маштабу з'яўляецца пераканаўчым сведчаннем цёмнай матэрыі, у гэтым крытычным суадносінах 5 да 1 з звычайнай матэрыяй. Цёмная матэрыя не толькі забяспечвае структуру насення, што прымушае ўсё больш цёмнай матэрыі трапляць у перанапружаныя рэгіёны (і губляцца з рэгіёнаў недастатковай шчыльнасці), але робіць гэта яшчэ з самых ранніх этапаў Сусвету.

Адносная вышыня і становішча гэтых акустычных пікаў, атрыманыя з дадзеных касмічнага мікрахвалевага фону, канчаткова адпавядаюць Сусвету, які складаецца з 68% цёмнай энергіі, 27% цёмнай матэрыі і 5% нармальнай матэрыі. Адхіленні жорстка абмежаваныя. (РЭЗУЛЬТАТЫ PLANCK 2015. XX. КАНАБАЛЬНІКІ НА ІНФЛАЦЫІ - СУПРАЦОЎКА ПЛАНКА (ADE, PAR ET AL.) ARXIV: 1502.02114)

Аднак гэта не азначае, што ў момант гарачага Вялікага выбуху прысутнічала цёмная матэрыя. Цёмная матэрыя магла быць створана з таго моманту, як скончылася інфляцыя; гэта магло быць створана ў выніку ўзаемадзеяння з высокай энергіяй, якое адбылося адразу пасля гэтага; гэта можа паўстаць з высокаэнергетычных часціц у маштабе GUT; яна магла паўстаць з парушанай сіметрыі (напрыклад, сіметрыя Печкея-Куіна) крыху пазней; гэта магло адбыцца з правых нейтранаў Дырака, калі яны атрымлівалі звышцяжкія масы ад механізму касмічнай пілы; яны маглі застацца бязлітаснымі, пакуль не парушылася сіметрыя электраслаблення, якая магла быць злучана з цёмнай матэрыяй.

Ілюстрацыя мадэляў кластаравання з-за акустычных ваганняў Барыёна, дзе верагоднасць знайсці галактыку на пэўнай адлегласці ад любой іншай галактыкі кіруецца залежнасцю паміж цёмнай і звычайнай матэрыяй. Па меры пашырэння Сусвету пашыраецца і гэтая характарыстычная адлегласць, што дазваляе нам вымераць канстанту Хабла, шчыльнасць цёмнай матэрыі і нават скалярны спектральны паказчык. Вынікі супадаюць з дадзенымі CMB, і Сусвет складаецца з 27% цёмнай матэрыі, у адрозненне ад 5% нармальнай матэрыі. (ZOSIA ROSTOMIAN)

Не ведаючы дакладна, што такое цёмная матэрыя - у тым ліку, ці з'яўляецца гэта часціца, ці не - мы не можам з упэўненасцю сцвярджаць, калі менавіта яна ўзнікла. Але з вымярэнняў маштабнай структуры Сусвету, уключаючы подпісы, адлюстраваныя ў самай ранняй карціне з усіх, мы можам быць цалкам упэўнены, што цёмная матэрыя ўзнікла на самых ранніх стадыях Вялікага выбуху і, магчыма, у самым пачатку з усяго гэтага. Цёмная энергія можа існаваць увесь час, альбо можа з'явіцца толькі значна пазней; адбываецца істотнае даследаванне ідэі, што толькі тады, калі складваецца складаная структура, цёмная энергія ўзнікае і набывае важнае значэнне для Сусвету.

Тут адлюстроўваецца адноснае значэнне цёмнай матэрыі, цёмнай энергіі, нармальнай матэрыі, а таксама нейтрына і выпраменьвання. У той час як цёмная энергія дамінуе сёння, гэта было нязначна рана. Цёмная матэрыя мае вялікае значэнне на працягу вельмі доўгіх касмічных часоў, і мы бачым свае подпісы нават у самых ранніх сігналах Сусвету. (Э. SIEGEL)

Частка вялікай праблемы сучаснай касмалогіі - раскрыць прыроду гэтых зніклых кампанентаў Сусвету. Калі мы зможам зрабіць гэта менавіта так, пачнем разбірацца, калі і як паўстала цёмная матэрыя і цёмная энергія. Што можна сказаць напэўна, гэта тое, што на самых ранніх этапах радыяцыя была дамінуючым кампанентам Сусвету, пры гэтым заўсёды прысутнічаюць невялікія колькасці нармальнай матэрыі. Цёмная матэрыя можа ўзнікнуць у самым пачатку, альбо можа ўзнікнуць крыху пазней, але ўсё яшчэ вельмі рана. У цяперашні час, як мяркуецца, цёмная энергія заўсёды была там, але толькі яна стала важнай і заўважнай, калі Сусвету было мільярды гадоў. Вызначэнне астатняга - задача для нашай навуковай будучыні.

Дасылайце пытанні, якія задаюць Ітана, на startwithabang па адрасе gmail dot com!

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".