Sự phát triển của cấu trúc quy mô lớn trong Vũ trụ, từ trạng thái sơ khai, đồng nhất đến Vũ trụ co cụm mà chúng ta biết ngày nay. Loại và sự phong phú của vật chất tối sẽ mang đến một Vũ trụ khác biệt lớn nếu chúng ta thay đổi những gì Vũ trụ của chúng ta sở hữu. (Angulo et al. 2008, thông qua Đại học Durham)

Chỉ có vật chất tối (và không thay đổi trọng lực) mới có thể giải thích vũ trụ

Đã có rất nhiều người ủng hộ công chúng từ trại hè không có vật chất tối, nhận được nhiều sự chú ý của mọi người. Nhưng Vũ trụ vẫn cần vật chất tối. Đây là lý do tại sao.

Nếu bạn đã xem tất cả các thiên hà trong Vũ trụ, đo xem tất cả các vấn đề bạn có thể phát hiện ra, và sau đó vạch ra cách các thiên hà này di chuyển, bạn sẽ thấy mình khá bối rối. Trong khi đó trong Hệ Mặt trời, các hành tinh quay quanh Mặt trời với tốc độ giảm dần ra xa trung tâm bạn đi - giống như định luật hấp dẫn dự đoán - các ngôi sao xung quanh trung tâm thiên hà không làm điều đó. Mặc dù khối lượng tập trung về phía phình trung tâm và trong một đĩa giống như mặt phẳng, các ngôi sao ở khu vực bên ngoài của một thiên hà quất xung quanh nó với cùng tốc độ như chúng làm ở các vùng bên trong, bất chấp dự đoán. Rõ ràng, thiếu một cái gì đó. Hai giải pháp nảy sinh trong đầu: hoặc có một số loại không nhìn thấy ngoài kia tạo nên thâm hụt, hoặc chúng ta cần sửa đổi định luật hấp dẫn, như chúng ta đã làm khi nhảy từ Newton sang Einstein. Trong khi cả hai khả năng này có vẻ hợp lý, thì lời giải thích đại chúng vô hình, được gọi là vật chất tối, là xa và là lựa chọn ưu việt. Đây là lý do tại sao.

Về nguyên tắc, các thiên hà riêng lẻ có thể được giải thích bằng vật chất tối hoặc sự biến đổi thành trọng lực, nhưng chúng không phải là bằng chứng tốt nhất mà chúng ta có về những gì Vũ trụ được tạo ra hoặc cách nó trở thành như ngày nay. (Stefania.deluca của Wikimedia Commons)

Trước hết, câu trả lời không liên quan gì đến từng thiên hà. Các thiên hà là một trong những vật thể lộn xộn nhất trong Vũ trụ đã biết và khi bạn đang thử nghiệm bản chất của Vũ trụ, bạn muốn có môi trường sạch nhất có thể. Có cả một lĩnh vực nghiên cứu dành cho việc này, được gọi là vũ trụ học vật lý. (Tiết lộ đầy đủ: đó là lĩnh vực của tôi.) Khi Vũ trụ được sinh ra lần đầu tiên, nó rất gần với đồng phục: mật độ gần như chính xác ở mọi nơi. Người ta ước tính rằng khu vực dày đặc nhất mà Vũ trụ bắt đầu dày hơn 0,01% so với khu vực có mật độ thấp nhất khi bắt đầu Vụ nổ lớn. Trọng lực hoạt động rất đơn giản và theo cách rất đơn giản, thậm chí ở quy mô vũ trụ, khi chúng ta xử lý các khởi hành nhỏ từ mật độ trung bình. Đây được gọi là chế độ tuyến tính, và cung cấp một bài kiểm tra vũ trụ tuyệt vời về cả trọng lực và vật chất tối.

Phép chiếu quy mô lớn thông qua âm lượng Illustris ở z = 0, tập trung vào cụm lớn nhất, sâu 15 Mpc / h. Hiển thị mật độ vật chất tối (trái) chuyển sang mật độ khí (phải). Cấu trúc quy mô lớn của Vũ trụ không thể được giải thích nếu không có vật chất tối. (Cộng tác Illustris / Mô phỏng Illustris)

Mặt khác, khi chúng ta đối phó với mức khởi hành lớn từ mức trung bình, điều này đặt bạn vào cái được gọi là chế độ phi tuyến tính, và những thử nghiệm này khó khăn hơn nhiều để đưa ra kết luận. Ngày nay, một thiên hà như Dải Ngân hà có thể dày hơn hàng triệu lần so với mật độ vũ trụ trung bình, đặt nó vững chắc trong chế độ phi tuyến tính. Mặt khác, nếu chúng ta nhìn vào Vũ trụ ở quy mô rất lớn hoặc ở thời điểm rất sớm, các hiệu ứng hấp dẫn sẽ tuyến tính hơn nhiều, biến đây thành phòng thí nghiệm lý tưởng của bạn. Nếu bạn muốn thăm dò xem có phải điều chỉnh trọng lực hay thêm thành phần phụ của vật chất tối hay không, bạn sẽ muốn xem nơi nào có hiệu ứng rõ ràng nhất và đó là nơi mà các hiệu ứng hấp dẫn được dự đoán dễ dàng nhất: trong chế độ tuyến tính.

Dưới đây là những cách tốt nhất để thăm dò vũ trụ trong thời đại đó, và những gì họ nói với bạn.

Các dao động trong Nền vi sóng vũ trụ lần đầu tiên được đo chính xác bằng COBE vào những năm 1990, sau đó chính xác hơn là WMAP vào những năm 2000 và Planck (ở trên) vào những năm 2010. Hình ảnh này mã hóa một lượng lớn thông tin về Vũ trụ sơ khai, bao gồm thành phần, tuổi tác và lịch sử của nó. (ESA và Cộng tác Planck)

1.) Các dao động trong nền vi sóng vũ trụ. Đây là bức tranh chân thực đầu tiên của chúng ta về Vũ trụ và sự dao động về mật độ năng lượng tại thời điểm chỉ 380.000 năm sau Vụ nổ lớn. Các vùng màu xanh lam tương ứng với sự quá mức, nơi các khối vật chất đã bắt đầu tăng trưởng lực hấp dẫn không thể tránh khỏi của chúng, đi xuống con đường của chúng để hình thành các ngôi sao, thiên hà và các cụm thiên hà. Các khu vực màu đỏ là khu vực có mật độ thấp, nơi vật chất đang bị mất cho các khu vực dày đặc hơn xung quanh nó. Bằng cách xem xét các biến động nhiệt độ này và cách chúng tương quan - có nghĩa là, trên một quy mô cụ thể. mức độ dao động trung bình của bạn so với nhiệt độ trung bình là bao nhiêu - bạn có thể tìm hiểu rất nhiều về thành phần của Vũ trụ của bạn.

Độ cao và vị trí tương đối của các đỉnh âm thanh này, xuất phát từ dữ liệu trong Nền vi sóng vũ trụ, hoàn toàn phù hợp với Vũ trụ tạo ra từ 68% năng lượng tối, 27% vật chất tối và 5% vật chất bình thường. Độ lệch được ràng buộc chặt chẽ. (Kết quả Planck 2015. XX. Những hạn chế về lạm phát - Hợp tác Planck (Ade, PAR và cộng sự) arXiv: 1502.02114)

Cụ thể, các vị trí và độ cao (đặc biệt là độ cao tương đối) của bảy đỉnh được xác định ở trên đồng ý một cách ngoạn mục với một sự phù hợp đặc biệt: một vũ trụ có năng lượng tối 68%, vật chất tối 27% và vật chất bình thường 5%. Nếu bạn không bao gồm vật chất tối, kích thước tương đối của các đỉnh được đánh số lẻ và các đỉnh có số chẵn không thể được tạo ra để khớp với nhau. Điều tốt nhất mà các yêu cầu về trọng lực đã sửa đổi có thể làm là giúp bạn có được hai đỉnh đầu tiên (nhưng không phải là đỉnh thứ ba hoặc xa hơn) hoặc để có được phổ cực đại đúng bằng cách thêm một số vật chất tối, đánh bại toàn bộ mục đích. Không có sửa đổi nào được biết đến đối với lực hấp dẫn của Einstein có thể tái tạo những dự đoán này, ngay cả sau thực tế, mà không cần thêm vật chất tối.

Một minh họa về các mô hình phân cụm do Baryon Acoustic Dao động, trong đó khả năng tìm thấy một thiên hà ở một khoảng cách nhất định với bất kỳ thiên hà nào khác bị chi phối bởi mối quan hệ giữa vật chất tối và vật chất bình thường. Khi Vũ trụ mở rộng, khoảng cách đặc trưng này cũng mở rộng, cho phép chúng ta đo hằng số Hubble. (Zosia Rostomian)

2.) Cấu trúc quy mô lớn trong Vũ trụ. Nếu bạn có một thiên hà, khả năng bạn sẽ tìm thấy một thiên hà khác ở một khoảng cách nhất định? Và nếu bạn nhìn vào Vũ trụ theo một tỷ lệ thể tích nhất định, những gì khởi hành từ số lượng thiên hà trung bình của bạn có thể thấy ở đó? Những câu hỏi này là cốt lõi của việc hiểu cấu trúc quy mô lớn và câu trả lời của chúng phụ thuộc rất nhiều vào cả định luật hấp dẫn và những gì trong Vũ trụ của bạn. Trong một vũ trụ mà 100% vật chất của bạn là vật chất bình thường, bạn sẽ có sự ức chế lớn về sự hình thành cấu trúc trên quy mô lớn, cụ thể, trong khi nếu Vũ trụ của bạn bị chi phối bởi vật chất tối, bạn sẽ chỉ bị ức chế nhỏ trên nền mịn . Bạn không cần bất kỳ mô phỏng hoặc hiệu ứng phi tuyến nào để thăm dò điều này; tất cả điều này có thể được tính bằng tay.

Các điểm dữ liệu từ các thiên hà được quan sát của chúng tôi (các điểm đỏ) và các dự đoán từ vũ trụ học với vật chất tối (vạch đen) xếp hàng cực kỳ tốt. Các đường màu xanh, có và không có sửa đổi đối với trọng lực, không thể tái tạo quan sát này mà không có vật chất tối. (S. Dodelson, từ http://arxiv.org/abs/1112.1320)

Khi chúng ta nhìn ra Vũ trụ trên các thang đo lớn nhất này và so sánh với các dự đoán của các kịch bản khác nhau này, kết quả là không thể thay đổi. Những điểm màu đỏ đó (với các thanh lỗi, như được hiển thị) là các quan sát - dữ liệu - từ Vũ trụ của chính chúng ta. Đường màu đen là dự đoán của vũ trụ ΛCDM tiêu chuẩn của chúng ta, với vật chất bình thường, vật chất tối (gấp sáu lần lượng vật chất bình thường), năng lượng tối và thuyết tương đối rộng như luật điều chỉnh nó. Lưu ý những cái lắc lư nhỏ trong đó và mức độ tuyệt vời - tuyệt vời đến mức nào - những dự đoán phù hợp với dữ liệu. Các đường màu xanh là dự đoán của vật chất bình thường không có vật chất tối, trong cả kịch bản tiêu chuẩn (rắn) và trọng lực biến đổi (chấm). Và một lần nữa, không có sửa đổi nào cho trọng lực được biết là có thể tái tạo những kết quả này, ngay cả sau khi thực tế, mà không bao gồm cả vật chất tối.

Con đường mà các proton và neutron đi vào Vũ trụ ban đầu để tạo thành các nguyên tố và đồng vị nhẹ nhất: deuterium, helium-3 và helium-4. Tỷ lệ nucleon-photon xác định bao nhiêu phần tử chúng ta sẽ kết thúc trong Vũ trụ của chúng ta ngày nay. Các phép đo này cho phép chúng ta biết chính xác mật độ của vật chất bình thường trong toàn bộ Vũ trụ. (E. Siegel / Vượt xa thiên hà)

3.) Sự phong phú tương đối của các yếu tố ánh sáng được hình thành trong Vũ trụ sơ khai. Đây không phải là một câu hỏi liên quan đến vật chất tối, cũng không quá phụ thuộc vào trọng lực. Nhưng do tính chất vật lý của Vũ trụ sơ khai, nơi các hạt nhân nguyên tử bị nổ tung trong điều kiện năng lượng đủ cao khi Vũ trụ cực kỳ đồng đều, chúng ta có thể dự đoán chính xác lượng hydro, deuterium, helium-3, helium-4 và lithium- 7 nên được để lại từ Vụ nổ lớn trong khí nguyên thủy mà chúng ta thấy ngày nay. Chỉ có một tham số mà tất cả các kết quả này phụ thuộc vào: tỷ lệ photon so với baryon (proton và neutron kết hợp) trong Vũ trụ. Chúng tôi đã đo được số lượng photon trong Vũ trụ nhờ cả hai vệ tinh WMAP và Planck, và chúng tôi cũng đã đo được sự phong phú của các nguyên tố đó.

Sự phong phú dự đoán của helium-4, deuterium, helium-3 và lithium-7 như dự đoán của quá trình tổng hợp hạt nhân Big Bang, với các quan sát thể hiện trong các vòng tròn màu đỏ. (Nhóm khoa học NASA / WMAP)

Đặt chúng lại với nhau, chúng cho chúng ta biết tổng lượng vật chất bình thường trong Vũ trụ: đó là 4,9% mật độ tới hạn. Nói cách khác, chúng ta biết tổng lượng vật chất bình thường trong Vũ trụ. Đây là một con số phù hợp ngoạn mục với cả dữ liệu nền vi sóng vũ trụ và dữ liệu cấu trúc quy mô lớn, tuy nhiên, nó chỉ chiếm khoảng 15% tổng số vật chất phải có. Một lần nữa, không có sự điều chỉnh nào về lực hấp dẫn có thể mang đến cho bạn những dự đoán quy mô lớn đó và cũng cung cấp cho bạn sự phong phú thấp của vật chất thông thường.

Cụm MACS J0416.1 điện2403 trong quang học, một trong những Trường biên giới Hubble tiết lộ, thông qua thấu kính hấp dẫn, một số thiên hà sâu nhất, mờ nhất từng thấy trong Vũ trụ. (NASA / STScI)

4.) Sự uốn cong hấp dẫn của ánh sáng sao từ các cụm sao lớn trong Vũ trụ. Khi chúng ta nhìn vào các khối lớn nhất trong Vũ trụ, những khối gần nhất vẫn còn trong chế độ tuyến tính của sự hình thành cấu trúc, chúng ta nhận thấy rằng ánh sáng nền từ chúng bị biến dạng. Điều này là do sự uốn cong hấp dẫn của ánh sáng sao trong thuyết tương đối được gọi là thấu kính hấp dẫn. Khi chúng ta sử dụng những quan sát này để xác định tổng khối lượng có trong Vũ trụ là bao nhiêu, chúng ta sẽ nhận được cùng một số lượng mà chúng ta đã có được: khoảng 30% tổng năng lượng của Vũ trụ phải có trong mọi dạng vật chất, cộng lại , để tái tạo những kết quả này. Chỉ có 4,9% hiện diện trong vật chất bình thường, điều này ngụ ý phải có một số loại vật chất tối hiện diện.

Thấu kính hấp dẫn trong cụm thiên hà Abell S1063, cho thấy sự bẻ cong của ánh sáng sao bằng sự hiện diện của vật chất và năng lượng. (NASA, ESA và J. Lotz (STScI))

Khi bạn nhìn vào bộ dữ liệu đầy đủ, thay vì chỉ một số chi tiết nhỏ về những gì diễn ra trong chế độ phi tuyến, phức tạp, phức tạp, không có cách nào để có được Vũ trụ chúng ta có ngày nay mà không cần thêm vật chất tối. Những người sử dụng Occam's Razor (không chính xác) để tranh luận ủng hộ MOND, hay Động lực học Newton đã được MOdified, cần xem xét rằng việc sửa đổi luật của Newton sẽ không giải quyết được những vấn đề này cho bạn. Nếu bạn sử dụng Newton, bạn sẽ bỏ lỡ những thành công của thuyết tương đối của Einstein, quá nhiều để liệt kê ở đây. Có thời gian trễ Shapiro. Có sự giãn nở thời gian hấp dẫn và dịch chuyển đỏ hấp dẫn. Có khuôn khổ của Vụ nổ lớn và khái niệm về Vũ trụ đang mở rộng. Có hiệu ứng Thirring Lens. Có sự phát hiện trực tiếp sóng hấp dẫn, với tốc độ đo được bằng tốc độ ánh sáng. Và có những chuyển động của các thiên hà trong các cụm và của chính các cụm thiên hà trên quy mô lớn nhất.

Trên quy mô lớn nhất, cách các thiên hà tập hợp lại với nhau theo quan sát (màu xanh và màu tím) không thể phù hợp với mô phỏng (màu đỏ) trừ khi có vật chất tối được bao gồm. (Gerard Lemson & Virgo Consortium, với dữ liệu từ SDSS, 2dFGRS và Mô phỏng thiên niên kỷ)

Và đối với tất cả các quan sát này, không có sự điều chỉnh nào về lực hấp dẫn có thể tái tạo những thành công này. Có một vài cá nhân có tiếng nói trong phạm vi công cộng ủng hộ MOND (hoặc các hóa thân trọng lực được sửa đổi khác) như một sự thay thế hợp pháp cho vật chất tối, nhưng đơn giản là nó không phải là một trong thời điểm này. Cộng đồng vũ trụ học không hề giáo điều về nhu cầu vật chất tối; chúng tôi tin vào điều đó bởi vì tất cả những quan sát này đòi hỏi nó Tuy nhiên, bất chấp tất cả những nỗ lực sửa đổi thuyết tương đối, không có sửa đổi nào được biết có thể giải thích ngay cả hai trong bốn điểm này, ít hơn cả bốn. Nhưng vật chất tối có thể, và có.

Chỉ vì vật chất tối dường như là một yếu tố mờ nhạt đối với một số người, so với ý tưởng sửa đổi lực hấp dẫn của Einstein, không mang lại cho bất kỳ trọng lượng bổ sung nào. Như Umberto Eco đã viết trong Pendulum của Foucault, Như người đàn ông đã nói, đối với mọi vấn đề phức tạp, có một giải pháp đơn giản và nó đã sai. Nếu ai đó cố gắng bán cho bạn lực hấp dẫn đã sửa đổi, hãy hỏi họ về nền vi sóng vũ trụ. Hỏi họ về cấu trúc quy mô lớn. Hỏi họ về tổng hợp hạt nhân Big Bang và bộ đầy đủ các quan sát vũ trụ khác. Cho đến khi họ có câu trả lời mạnh mẽ, tốt như vật chất tối, đừng để bản thân hài lòng.

Bốn cụm thiên hà va chạm, cho thấy sự tách biệt giữa tia X (màu hồng) và trọng lực (màu xanh), biểu thị cho vật chất tối. Ở quy mô lớn, vật chất tối lạnh là cần thiết và sẽ không có sự thay thế hay thay thế nào (X-quang: NASA / CXC / UVic. / A.Mahdavi et al. Quang học / Ống kính: CFHT / UVic. / A. Mahdavi et al . (trên cùng bên trái); X-quang: NASA / CXC / UCDavis / W.Dawson et al.; Quang: NASA / STScI / UCDavis / W.Dawson và cộng sự (trên cùng bên phải); ESA / XMM-Newton / F. Gastaldello (INAF / IASF, Milano, Italy) / CFHTLS (dưới cùng bên trái); X-quang: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (Đại học California, Santa Barbara) và S. Allen (Đại học Stanford) (dưới cùng bên phải ))

Trọng lực biến đổi không thể dự đoán thành công cấu trúc quy mô lớn của Vũ trụ theo cách mà một Vũ trụ chứa đầy vật chất tối có thể. Giai đoạn = Stage. Và cho đến khi nó có thể, không đáng để trả bất kỳ tâm trí nào cho một đối thủ cạnh tranh nghiêm trọng. Bạn không thể bỏ qua vũ trụ học vật lý trong nỗ lực giải mã vũ trụ và dự đoán cấu trúc quy mô lớn, nền vi sóng, các yếu tố ánh sáng và sự bẻ cong của ánh sao là một số dự đoán cơ bản và quan trọng nhất xuất phát từ vũ trụ học vật lý . MOND thực sự có một chiến thắng lớn trước vật chất tối: nó giải thích các đường cong quay của các thiên hà tốt hơn vật chất tối từng có, bao gồm tất cả các con đường cho đến ngày nay. Nhưng nó chưa phải là một lý thuyết vật lý, và nó không phù hợp với bộ quan sát đầy đủ mà chúng ta có theo ý của chúng ta. Cho đến ngày đó, vật chất tối sẽ xứng đáng là lý thuyết hàng đầu về những gì tạo nên khối lượng trong Vũ trụ của chúng ta.

Starts With A Bang hiện đã có mặt trên Forbes và được tái bản trên Medium nhờ những người ủng hộ Patreon của chúng tôi. Ethan là tác giả của hai cuốn sách Beyond The Galaxy và Treknology: The Science of Star Trek from Tricnings to Warp Drive.