Jauna tumšās matērijas karte liek izmēģināt Lielā sprādziena teoriju (Kavli apaļais galds)

Tumšās enerģijas kamera Viktora Blanko teleskopā

Tumšās enerģijas kamera ir uzstādīta Viktora Blanko teleskopā, kas šeit attēlots kopā ar citiem teleskopiem Cerro Tololo Amerikas Amerikas observatorijā Čīlē. (Attēla kredīts: Fermilab)





Ādams Hadhazijs, grāmatas rakstnieks un redaktors Kavli fonds , pievienoja šo rakstu guesswhozoo.com ekspertu balsis: Op-Ed & Insights .

Visumā valdošais uzskats tikko izturējis jaunu stingru pārbaudi, bet tumšās matērijas un tumšās enerģijas noslēpumi joprojām ir nomākti.

Augustā tika atklāta jauna kosmiskā karte, kurā uzzīmēta vieta, kur noslēpumainā viela, ko sauc par tumšo matēriju, ir salipusi visā Visumā. Lai milzīgs atvieglojums un vilšanās, karte ir tieši tā, kā zinātnieki bija gaidījuši. Tumšās matērijas izplatība atbilst mūsu pašreizējai izpratnei par Visumu, kas pirms 13,8 miljardiem gadu Lielajā sprādzienā piedzimis ar noteiktām īpašībām. [ Visums: Lielais sprādziens līdz šim 10 vienkāršos soļos ]



Bet, neskatoties uz visu kartes apstiprinošo spēku, tā joprojām mums maz stāsta par tumšās vielas patieso identitāti, kas darbojas kā neredzamas galaktiku un kosmiskās struktūras sastatnes. Tas arī nepaskaidro vēl lielāku faktoru, kas veido kosmosu, kas pazīstams kā tumšā enerģija - mīklains spēks, kas šķietami izstumj Visumu arvien lielākā ātrumā. Tomēr aizraujoši, ka neliela neatbilstība starp jaunajiem atklājumiem un agrīnā Visuma iepriekšējiem novērojumiem var vienkārši atvērt durvis jaunai fizikai.

Lai apspriestu šos jautājumus, Kavli fonds vērsās pie trim zinātniekiem, kuri bija iesaistīti šīs jaunās kosmiskās kartes izveidē. Tumšās enerģijas apsekojums .

Dalībnieki bija:



  • SKOTS DODELSONS - ir kosmologs un Kārnegija Melona universitātes fizikas katedras vadītājs. Viņš ir viens no vadošajiem zinātniekiem aiz Dark Energy Survey jaunās kosmiskās struktūras kartes, pie kuras viņš strādāja Fermi Nacionālajā paātrinātāja laboratorijā un kā profesors Kavli Kosmoloģiskās fizikas institūts Čikāgas universitātē.
  • SMIEKS WECHSLER - ir fizikas asociētais profesors Stenfordas universitātē un SLAC Nacionālajā paātrinātāja laboratorijā, kā arī Kavli daļiņu astrofizikas un kosmoloģijas institūts . Tumšās enerģijas apsekojuma dibinātājs Vekslers ir iesaistīts arī divos nākamās paaudzes projektos, kas vēl dziļāk iedziļināsies tumšajā Visumā.
  • DžEORGE EFSTATŪS - ir astrofizikas profesors un bijušais direktors Kavli Kosmoloģijas institūts Kembridžas universitātē. Kopā ar darbu pie Tumšās enerģijas apsekojuma Efstatio ir zinātniskās grupas vadītājs Eiropas Kosmosa aģentūras kosmosa kuģim Planck, kas laika posmā no 2009. līdz 2013. gadam izveidoja detalizētu agrīnā Visuma karti.

Tālāk ir viņu apaļā galda diskusijas rediģēts stenogramma. Dalībniekiem tika dota iespēja labot vai rediģēt savas piezīmes.

KAVLI FONDS: Tumšās enerģijas apsekojums tikko apstiprināja, ka matērija, kādu mēs zinām, veido tikai četrus procentus no Visuma. Tas nozīmē, ka 96 procenti ir lietas, kuras mēs nevaram ne redzēt, ne pieskarties, un mums gandrīz nav ne jausmas, kas tas īsti ir. Kāpēc šie jaunie atklājumi patiesībā ir labas ziņas?

Smejies WECHSLER: Šķiet ļoti dīvaini, ka rezultāti ir labas ziņas, vai ne? Pirms četrdesmit gadiem neviens nebūtu uzminējis, ka mēs acīmredzot dzīvojam Visumā, kurā lielākā daļa matērijas ir lietas, kas ar mums nesadarbojas, un lielākā daļa enerģijas nav pat matērija! Tas joprojām ir super prāta pūš.

Risa Večlere

Risa Wechsler pētījumi izmanto datoru modeļus un skaitliskas simulācijas, lai hroniski aprakstītu Visuma attīstību no Lielā sprādziena līdz mūsdienām.(Attēla kredīts: Risa Wechsler)

Bet mēs esam turpinājuši veikt arvien precīzākus Visuma mērījumus, un tieši šeit parādās Tumšās enerģijas apsekojuma rezultāti. Tie ir visprecīzākie matērijas blīvuma mērījumi un tas, kā tas ir salipis vietējā Visumā. Agrāk mēs esam mērījuši matērijas blīvumu jaunajā, tālajā Visumā. Tātad tumšās enerģijas apsekojums patiešām ļauj pārbaudīt mūsu izpratni par Visuma evolūciju, ko esam formalizējuši kā Lielā sprādziena kosmoloģijas standarta modeli [Skatīt sānjoslu zemāk: ' Kosmiskā recepte '], pilnīgi jaunā veidā.

Tomēr noteikti ir iespējams, ka mums kaut kas nav kārtībā.

SKOTS DODELSONS: Šie dati kopā ar precīziem citu projektu mērījumiem varētu sākt parādīt nelielas domstarpības vai spriedzi, kā mēs to saucam, ar mūsu pašreizējo izpratni par to, kā Visums sākās un tagad faktiski paplašinās ar pieaugošu ātrumu.

Skots Dodelsons koncentrējas uz kosmoloģijas un daļiņu astrofizikas krustpunktu, kur vislielākās kosmiskās struktūras galu galā rodas sīkāko matērijas un tumšās matērijas daļiņu uzvedības dēļ.

Skots Dodelsons koncentrējas uz kosmoloģijas un daļiņu astrofizikas krustpunktu, kur vislielākās kosmiskās struktūras galu galā rodas sīkāko matērijas un tumšās matērijas daļiņu uzvedības dēļ.(Attēla kredīts: Scott Dodelson)

Kā Risa tikko teica, mēs neesam pārliecināti, ka mūsu pašreizējais domāšanas veids ir pareizs, jo tas būtībā liek mums izdomāt lietas, proti, tumšo matēriju un tumšo enerģiju. Var gadīties, ka mēs patiešām esam tikai mēneša attālumā no zinātniskās revolūcijas, kas uzlabos visu mūsu izpratni par kosmoloģiju un neprasīs šīs lietas. [ Pārsteidzoši fotoattēli no tumšās enerģijas kameras Čīlē ]

DžEORGE EFSTATIJS: Šie matērijas un enerģijas mērījumi jaunajā, tālajā Visumā, uz ko atsaucās Risa, tika iegūti tikai pirms dažiem gadiem, kad cita programma ar nosaukumu Planks aplūkoja Lielā sprādziena relikvijas starojumu, ko mēs saucam par kosmiskais mikroviļņu fons . Lai gan Planka kosmosa kuģa mērījumi atbalsta modeli, par kuru mēs runājam, vienmēr ir nemierīgi postulēt tādas lietas kā tumšā matērija un tumšā enerģija, kas nav novērotas. Tāpēc tumšās enerģijas apsekojums ir ļoti svarīgs-tas var stingri pārbaudīt mūsu zināšanas par Visuma dzimšanu, salīdzinot to ar mūsdienu un jaunā Visuma faktisko struktūru.

TKF: Tumšās enerģijas apsekojums sākās pirms četriem gadiem, tāpēc jūs ilgi gaidījāt, kad šie rezultāti parādīsies. Kāda bija jūsu sākotnējā reakcija?

DODELSONS: Tā bija manas zinātniskās karjeras pārsteidzošākā pieredze. 2017. gada 7. jūlijā, datumā, kuru es vienmēr atcerēšos, mums bija 50 cilvēki, kas pievienojās konferences zvanam. Neviens nezināja, ko dati teiks, jo viņi bija akli, kas pasargā no nejaušas rezultātu novirzīšanas uz kaut ko tādu, ko jūs “vēlaties”. Tad viens no lēcu analīzes vadītājiem Maikls Troksels uzrakstīja datiem datora skriptu, atslēdzot to un kopīgojot savu ekrānu ar visiem sarunas dalībniekiem. Mums visiem bija jāredz mūsu rezultāti, salīdzinot ar Planka rezultātiem. Viņi bija cieši vienojušies neatkarīgi viens no otra. Mēs visi tikai noelsāmies un tad aplaudējām.

WECHSLER: Es arī piedalījos šajā konferences zvanā. Tas bija patiešām aizraujoši. Es strādāju pie šīs aptaujas kopš pirmā priekšlikuma uzrakstīšanas 2004. gadā, tāpēc tā likās kā kulminācija.

TKF: 2013. gadā Planks mums sniedza ļoti precīzu Visuma priekšstatu par bērnu. Tagad mums ir ļoti precīzs Visuma attēls vēlākā laikmetā. Džordž, tu biji Planka misijas vadītājs. Ko jūs redzat, savlaicīgi aplūkojot šos divus dažādus momentuzņēmumus?

EFSTATIJS: “Bērna” attēls atbilst Visumam, kas galvenokārt sastāv no tumšās matērijas un tumšās enerģijas. Tas saskan arī ar ideju, ka Visums agrīnajos brīžos piedzīvoja eksponenciālu izplešanos, kas pazīstama kā inflācija. Tātad, kā mazuļa attēls tiek ekstrapolēts uz mūsdienu, “pieaugušo” Visumu? Kā rāda jaunie Dark Energy Survey rezultāti, attēli ir ārkārtīgi konsekventi.

Džordžu Efstatju interesē gan novērošanas, gan teorētiskā kosmoloģija, tostarp liela mēroga struktūras, galaktiku veidošanās un kosmiskā mikroviļņu fona pētījumi.

Džordžu Efstatju interesē gan novērošanas, gan teorētiskā kosmoloģija, tostarp liela mēroga struktūras, galaktiku veidošanās un kosmiskā mikroviļņu fona pētījumi.(Attēla kredīts: George Efstathiou)

DODELSONS: Mēs visi esam pārsteigti, ka šie divi attēli ir vienisprātis. Šeit ir piemērs. Pieņemsim, ka jūs iegādājāties Berkshire Hathaway akcijas 1970. gadā. Pieņemsim, ka tolaik tā bija 10 USD par akciju, un šodien tā ir 250 000 USD. Ja jūs toreiz prognozētu, ka šodien tie būtu 250 000 USD, plus mīnus 1000 USD, cilvēki domātu, ka esat dumjš. Bet būtībā mēs to esam darījuši. Kad Visums bija ļoti jauns, tikai 380 000 gadu vecs, tas bija arī ļoti “gluds”. Matērija bija tik vienmērīgi sadalīta. Tomēr šodien - vairāk nekā 13 miljardus gadu vēlāk - matērija kosmosā ir ļoti, ļoti salipusi galaktikās, zvaigznēs, planētās un citos objektos. Tas ir tas, ko varētu paredzēt ar kosmisko izplešanos, un ar Dark Energy Survey mēs esam spējuši ievērojami apstiprināt šīs kosmiskās nevienmērības prognozi.

WECHSLER: Tas, kas mums patiešām palīdzēja veikt precīzus mērījumus, izmantojot Dark Energy Survey, ir tas, ka pirmo reizi mēs skatāmies uz daudz plašāku platību, apmēram vienu trīsdesmito daļu no debesīm. Tas ir trīs vai četras reizes lielāks nekā lielākā tumšās vielas karte, kādu jebkad esam izveidojuši. Mēs arī varam izveidot šo karti būtībā vairāk nekā pusi no Visuma vecuma, sākot no šī brīža līdz aptuveni septiņiem miljardiem gadu, savācot gaismu, kas spīd no tālām galaktikām. Tātad mēs varam pastāstīt šo stāstu vairāk nekā pusei Visuma vēstures, un tas paliek konsekvents visā.

Ir dažas nelielas domstarpības ar Planka rezultātiem, taču, manuprāt, mums par tiem vēl nevajadzētu pārāk uztraukties. [ Galerija: Planka kosmosa kuģis redz Lielā sprādziena relikvijas ]

EFSTATIJS: Būtu bijis ļoti interesanti, ja rezultāti būtu ievērojami palielinājuši spriedzi ar kosmoloģisko standarta modeli, kas ir pamats, lai saprastu, kāpēc, sākot ar Lielo sprādzienu, Visums piedzīvo paātrinātu izplešanos. Dažas iepriekšējās aptaujas liecināja, ka varētu būt problēma, lai gan es domāju, ka šie rezultāti ir apšaubāmi. Manuprāt, vajadzētu paļauties uz datiem un neuztraukties, ja mūsu teorijas nepiekrīt novērojumiem. Visums ir tāds, kāds tas ir.

TKF: Tomēr a Dabas ziņu sižets raksturoja Džordža viedokli par neatbilstībām kā “satraucošu”.

EFSTATIJS: Jā, ir bijuši daži apgalvojumi par spriedzi starp vietējā Visumā izmērīto salipšanu un Planka novērojumiem par tālo Visumu. Daži citi novērojumi liecina, ka pēdējā laika vietējais Visums izplešas ātrāk nekā plānots no Planka.
Ja mēs spētu pārliecinoši pateikt, ka pastāv kāda patiesa problēma, ko rada kāds no šiem atsevišķiem datiem, tad mums būtu jāatsakās no mūsu standarta kosmoloģijas modeļa. Mums būtu vajadzīga jauna fizika, un tāda fizika, kāda mums būtu vajadzīga, atrastos eksotiskajā teritorijā, apgāžot gadu desmitiem citādi neatkarīgi atbalstītos fiziskos likumus. Tātad tas ir liels darījums.

Agrāk šāda veida spriedze ir nākusi un pagājusi. Kad mēs rakstījām 2013. gada Planka dokumentus, tad rezultāti bija saspringti ar lielāko daļu astrofizikas. Tad divus gadus vēlāk daži no šiem saspīlējumiem bija pazuduši, un tagad 2017. gadā tie atkal parādījās. Tātad šīs lietas nāk un iet. Mums ir jānosaka augsts slieksnis mūsu zinātnei, pirms sākam paskaidrojumus, pamatojoties uz jaunu fiziku.

TKF: Tas gandrīz izklausās šādi: 'ja tas vēl nav salauzts, tad to neizlabojiet.'

EFSTATIJS: Mums ir jāpārliecinās, ka tas ir salauzts, pirms to labojat.

WECHSLER: Piekrītu Džordžam. Pastāv ļoti augsta latiņa, kas parāda, ka jūs patiešām saprotat visus iespējamos kļūdu avotus, pirms veicat lielu lēcienu, atsakoties no mūsu pašreizējās, labi pierādītās idejas par Visumu. Es domāju, ka mēs vēl neesam tur. Tas nozīmē, ka mums vajadzētu būt patiesi satrauktiem par tumšās enerģijas apsekojuma turpināšanu, kā arī par visiem citiem gaidāmajiem apsekojumiem un projektiem.

TKF: Patiešām, šie jaunie rezultāti ir balstīti uz gada mērījumiem no kopumā pieciem gadiem. Ko mēs varētu sagaidīt pēc tam, kad būs apkopoti vēl četri gadu dati?

WECHSLER: Izmantojot četras reizes vairāk datu, mūsu tumšās vielas karte būs vēl precīzāka. Es arī ceru, ka mūsu analīzes metodes tiks uzlabotas. Būs arī virkne citu jaunu lietu, kuras Dark Energy Survey vajadzētu atklāt, tostarp jaunas punduru galaktikas ap mūsu Piena ceļa galaktiku ka mēs jau sen domājām, ka tur jābūt, bet nevarējām atrast. Ir daudz ko gaidīt!

DODELSONS: Paaugstinātā precizitāte, par kuru Risa tikko runāja, ļaus mums sasniegt tik spēcīgu kosmoloģijas standarta modeli, kāds tas jebkad ir bijis. Pašreizējā modeļa noraidīšana radīs revolūciju mūsu domās par Visumu, tāpēc tā ir aizraujošākā lieta, ko varu iedomāties.

TKF: Kā astrofiziķi paplašina tumšās vielas un tumšās enerģijas medības? Risa, sāksim ar tevi, jo tu esi cieši iesaistīts divos nākamās paaudzes “tumšā visuma” projektos.

WECHSLER: Izmantojot tumšās enerģijas spektroskopisko instrumentu jeb DESI (izrunā “DEZ-ee”), mēs iegūsim tā sauktos spektrus vai detalizētus gaismas novērojumus no aptuveni 35 miljoniem galaktiku un kvazāru, kas ir galaktikas, kas šķiet īpaši spilgtas, jo to centrālie melnie caurumi aktīvi aprij matēriju. Tas ir aptuveni 10 reizes vairāk spektra datu nekā mēs esam savākuši no visiem instrumentiem, tāpēc varat iedomāties, ka tas būs patiešām pārveidojošs. Izmantojot DESI, mēs varēsim neatkarīgi izmērīt Visuma izplešanās ātrumu un to, cik ātri aug tā matērijas un tumšās matērijas struktūra, kuras abas ietekmē tumšā enerģija. Tad, salīdzinot šos mērījumus, jūs iegūstat precīzu pārbaudi par Visumu regulējošo fiziku. DESI sāksies 2019. gadā, izmantojot teleskopu Arizonā.

Otrs nozīmīgais jaunais instruments, pie kura strādāju, ir Lielais sinoptiskās izpētes teleskops, LSST. Tas veiks novērojumus tāpat kā Dark Energy Survey, bet ar ievērojami lielāku precizitāti. Patiesībā tas aptvers aptuveni četras reizes lielāku teritoriju, un miljardi galaktiku, ko tā redz, būs daudz dziļākas un tālākas. LSST būs jauna observatorija, kas tiks būvēta Čīlē tieši tagad, un tās sākums ir paredzēts aptuveni 2022. gadā.

DODELSONS: Es domāju, ka abi projekti radīs jaunus zinātniskus jautājumus. Mēs to jau esam redzējuši ar Dark Energy Survey. Jautājumi laika gaitā mainās un attīstās, tāpēc es neesmu pārliecināts, ka mēs zinām, kas ir aizraujošākais, ko mēs mācīsimies no LSST vai DESI. [ 10 lielākie teleskopi uz Zemes: kā tie mēra ]

EFSTATIJS: Viena no manām cerībām uz Planku bija tāda, ka kosmoloģijas standarta modelis saplīsīs, un tas nenotika. Bet vai tas nebūtu absolūti lieliski kosmoloģijai un fizikai, ja tas notiktu? Tāpēc mums vajadzētu atvienoties un redzēt. Varbūt mums paveiksies.

TKF: Ja jums būtu jāveic likme par to, kas patiesībā ir tumšā matērija un tumšā enerģija, kur jūs liktu savas mikroshēmas?

DODELSONS: Mēs dzīvojam kognitīvās disonances laikmetā. Ir visi šie kosmoloģiskie pierādījumi par tumšās vielas esamību, taču pēdējo 30 gadu laikā mēs esam veikuši visus šos eksperimentus un neesam to atraduši. Varu derēt, ka mēs uz visu skatāmies nepareizi. Kāds, kuram šodien ir 8 gadi, nāks apkārt un izdomās, kā saprast visus datus, neizraisot jaunas noslēpumainas vielas.

EFSTATIJS: Kādas izredzes jūs tam dodat, Skot?

DODELSONS: Es derēju 2000 USD no Džordža naudas. [Smiekli]

EFSTATIJS: Es neliktu likmes nevienam konkrētam kandidātam uz tumšo lietu. Bet es varu derēt, ka tumšā enerģija ir kosmoloģiskā konstante , Einšteina izgudrots izdomāšanas faktors, kas raksturo enerģijas blīvumu vakuumā.

WECHSLER: Principā es esmu kopā ar Džordžu. Es domāju, ka, ja Skotam ir taisnība, tas būs brīnišķīgi - bet tas noteikti nav vieta, kur es novietotu savu naudu. [ Galerija: tumšā matērija visā Visumā ]

Es domāju, ka ir ļoti iespējams, ka pēc 15 gadiem mēs tikai tad izmērīsim, ka tumšo enerģiju izraisa šī kosmoloģiskā konstante. Mēs varēsim samazināt kļūdu joslas un konstatēt, ka mūsu pašreizējais modelis joprojām darbojas.

Par tumšo matēriju, manuprāt, tas ir daudz mazāk skaidrs. Ilgu laiku populārākais kandidāts bija šī lieta, ko sauca par WIMP jeb vāji mijiedarbojošo masīvo daļiņu. Šī ideja joprojām ir populāra un pilnīgi iespējama, taču daudzas daļiņas, kas varētu būt šāda veida tumšā viela, jau ir izslēgtas. Otrs patiešām pārliecinošais kandidāts ir subatomiskā daļiņa, ko sauc par aksionu. Cilvēki tikai nokļūst vietā, kur viņi var sākt meklēt šīs daļiņas, kuras, mūsuprāt, būs ārkārtīgi grūti atklāt. Ir arī iespējams, ka tumšā matērija var mūs pārsteigt, ka tā ir kāda jauna veida daļiņa, kurai mums vēl nav paņēmienu, ko meklēt.

No kā sastāv mūsu Visums.

No kā sastāv mūsu Visums.(Attēla kredīts: ESA un Planka sadarbība)

Sānu josla: kosmiskā recepte : Pēdējās desmitgadēs zinātnieki ir apmetušies uz Visuma modeli, kas lielākoties ir neredzēts un nezināms. Pazīstams kā Lielā sprādziena kosmoloģijas standarta modelis, tas nosaka, ka matērija, kādu mēs to pazīstam - ietver cilvēkus, planētas un zvaigznes - ir tikai aptuveni 4 līdz 5 procenti no kopējā kosmiskā sastāva. Aptuveni 26 procenti kosmosa ir tumšā matērija, domājams, ka tā sastāv no masīvām daļiņām, kas neizstaro gaismu un tikai vāji mijiedarbojas ar parasto matēriju. Pārējais ir tumšā enerģija, spēks, kas paātrina Visuma izplešanos un veido gandrīz 70 procentus no realitātes. Visas šīs kosmiskās sastāvdaļas meklējamas Visuma pirmsākumos Lielajā sprādzienā, aptuveni pirms 13,8 miljardiem gadu.

Sekojiet visiem ekspertu balsu jautājumiem un debatēm - un piedalieties diskusijā Facebook , Twitter un Google+ . Izteiktie viedokļi ir autora uzskati un ne vienmēr atspoguļo izdevēja uzskatus. Šī raksta versija tika publicēta guesswhozoo.com .