Astronomen kartieren dunkle Materie indirekt über ihre Anziehungskraft auf andere Objekte.
Paul M. Sutter ist Astrophysiker bei Die Ohio State University, Gastgeber von Fragen Sie einen Raumfahrer und Weltraumradiound Autor von "Dein Platz im Universum."Sutter hat diesen Artikel dazu beigetragen Expertenstimmen von Space.com: Op-Ed & Insights.
Die moderne Erforschung des gesamten Universums, des als Kosmologie bekannten Wissenschaftszweigs, verdankt seinen gegenwärtigen Status vielen bemerkenswerten Persönlichkeiten, die auf fast ein Jahrhundert engagierter, hart erkämpfter Forschung zurückgehen.
Einige dieser Namen sind möglicherweise bekannt: Albert Einstein, Edwin Hubble, Vera Rubin usw. Aber kürzlich hat das Nobelpreiskomitee die Beiträge eines Namens anerkannt, den Sie möglicherweise nicht kennen, Jim Peebles und gab ihm die Hälfte des Physikpreises 2019"Für Beiträge zu unserem Verständnis der Entwicklung des Universums und des Platzes der Erde im Kosmos."
Es genügt zu sagen, dass die Kosmologie ohne die Bemühungen von Jim Peebles nicht dort wäre, wo sie heute ist. Es ist eine Sache, das zu sagen Urknallmodell in der Einfachheit auf der Rückseite eines T-Shirts (z. B. "das Universum war früher kleiner und heißer und jetzt nicht mehr"), aber es ist eine ganz andere Sache, dies in eine präzise mathematische Formulierung umzuwandeln, mit der Vorhersagen zum Vergleich gemacht werden können Beobachtungen. Man kann mit Recht sagen, dass Peebles dazu beigetragen hat, die Kosmologie von einer "ordentlichen und allgemein korrekten Idee" zu einem "Feld der echten Wissenschaft" zu machen. Lassen Sie uns drei Hauptwege erkunden, auf denen uns seine Erkenntnisse geleitet haben:
Der kosmische Mikrowellenhintergrund
Wenn das frühe Universum kleiner war als heute, dann muss es auch heißer und dichter gewesen sein. Und sobald Sie diese Realität akzeptieren, erkennen Sie schnell, dass irgendwann in der fernen Vergangenheit das Weltall muss so dicht und heiß gewesen sein, dass es in einem völlig anderen Zustand der Materie existierte.
Vor über 13 Milliarden Jahren, als das Universum ungefähr ein Millionstel seines heutigen Volumens betrug, war alles Zeug im Kosmos so zusammengewürfelt, dass es ein Plasma war, ein Zustand der Materie, in dem die Elektronen von Atomen gerissen und frei werden alleine herumlaufen. Damals war das Universum ziemlich intensiv.
Aber dann wurde es älter, es wurde größer und es wurde kälter. Und in einem bestimmten Alter fielen die Temperaturen und Drücke unter eine kritische Schwelle und Elektronen konnten sich an Atome binden, ohne sofort abgeschlagen zu werden. Blitzschnell wurde das Universum für Strahlung transparent, und dieses Licht - das zum Zeitpunkt seiner Freisetzung buchstäblich weißglühend ist - bleibt bis heute bestehen und tränkt den Kosmos.
Aber heute hat dieses Licht viel Dampf verloren und kühlt nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt fest im Mikrowellenband. Diese "kosmischer Mikrowellenhintergrund"wurde 1964 versehentlich von zwei Mikrowellenphysikern entdeckt, aber ohne dass sie es wussten, hatte eine Gruppe von Theoretikern, darunter Peebles, ihre Existenz bereits vorhergesagt. Die Mikrowellenphysiker gewannen 1978 den Nobelpreis, aber es ist nie zu spät für das Nobelkomitee, dies anzuerkennen Theoretiker auch.
Dunkle Materie
In den 1970er Jahren Astronom Vera Rubin entdeckte etwas Lustiges mit Galaxien: Die Sterne in ihnen kreisten viel zu schnell. In der Tat so schnell, dass sich die Galaxien vor Milliarden von Jahren hätten auseinander werfen müssen. Aber da waren sie, glücklich wie Muscheln.
Was ist passiert? Haben wir nicht etwas über die Natur der Schwerkraft in so großen Maßstäben wie Galaxien verstanden? Oder hatte das Universum eine zusätzliche Zutat, die uns bis zu Rubins Beobachtungen verborgen war?
Einige Astronomen, darunter auch Rubin selbst, dachten, wir müssten die Gesetze der Physik anpassen, um die Dinge richtig zu machen. Aber andere, einschließlich Peebles, stellten fest, dass eine Galaxie mehr zu bieten hat, als man denkt. Er war einer der frühesten Befürworter dessen, was wir heute "kalte dunkle Materie" nennen - eine neue Form von Materie, die nicht mit Licht interagiert (und daher mit nichts anderem als durch die Schwerkraft interagiert). Das wissen wir jetzt Dunkle Materie sättigt das Universum und überflutet die normale Materie mit einem Verhältnis von mindestens 5: 1.
Peebles und Mitarbeiter untersuchten gründlich, was diese neue Hypothese für das Verhalten von Galaxien bedeuten würde, und lieferten hilfreiche Tests für Beobachter zum Zielen und Messen.
Obwohl wir die Dunkle Materie heute noch nicht vollständig verstehen - und ihre genaue Identität noch nicht genau bestimmt haben -, sind die Beweise aus verschiedenen Blickwinkeln gekommen, einschließlich subtiler Abdrücke im kosmischen Mikrowellenhintergrund selbst, dass Dunkle Materie ein Hauptbestandteil unserer ist Universum.
Kosmische Struktur
Aber Peebles hörte nicht mit den frühesten Momenten des Urknalls oder mysteriösen und unsichtbaren Komponenten unseres Universums auf. Peebles wurde groß - sehr groß.
Wir sehen im Universum um uns herum alle möglichen Arten von Galaxien in allen möglichen phantasievollen Arrangements. Einige Galaxien sind in riesigen Clustern miteinander verbunden, während andere Einzelgänger sind. Einige sind riesig und riesig, andere sind klein und kaum wahrnehmbar. Und wenn wir auf die größten Maßstäbe herauszoomen, sehen wir ein riesiges "kosmisches Netz"Das größte Muster in der Natur, eine Struktur, die sich von einem Ende des sichtbaren Universums zum anderen erstreckt.
Das kosmische Netz besteht aus Galaxien und sieht, wie der Name schon sagt, aus wie ein kosmisches Spinnennetz.
Wie hast Das geschehen?
Peebles und seine Freunde erklärten die Ursprünge des kosmischen Netzes und stellten fest, dass Strukturen in unserem Universum im Laufe der Zeit langsam wachsen und sich mit jedem Äon von kleineren zu größeren Teilen aufbauen.
Sie fanden heraus, wie man im kosmischen Mikrowellenhintergrund nach Hinweisen auf die Keime der Struktur sucht, die als winzige Temperaturschwankungen von nicht mehr als 1 Teil von 100.000 sichtbar sind. Diese Variationen waren die Standorte der ersten Pools mit etwas überdurchschnittlicher Dichte, an denen im Laufe von Millionen von Jahren mehr Materie (insbesondere dunkle Materie!) Fließen würde.
Schließlich würden diese kleinen Nuggets zu Galaxien werden, und einige Galaxien würden sich zu Galaxienhaufen zusammenschließen. Und da all das Zeug, mit dem diese großen Strukturen gebaut wurden, von irgendwoher kommen musste, öffneten und erweiterten sich riesige leere Regionen. Dies wurden die Lücken im kosmischen Netz, die als Hohlräume bekannt sind.
Im Laufe der Jahrzehnte hat Jim Peebles Hunderte von Artikeln geschrieben und mit Hunderten von Astronomen, Astrophysikern, Physikern und Kosmologen zusammengearbeitet. Er war ein entscheidender Akteur bei der Malerei des Porträts des Universums, das wir heute verstehen.
- Nobelpreis für Physik: 1901-heute
- Dunkle Materie und Dunkle Energie: Das erklärte Geheimnis (Infografik)
- 11 unbeantwortete Fragen zur Dunklen Materie
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