Astronomer kartlägger mörk materia indirekt via sin gravitationella drag på andra föremål.
Paul M. Sutter är en astrofysiker på Ohio State University, värd av Fråga en Spaceman och Space Radio, och författare till "Din plats i universum."Sutter bidrog med den här artikeln till Space.coms expertröster: Op-Ed & Insights.
Den moderna studien av hela universumet, vetenskapsgrenen känd som kosmologi, är skyldig sin nuvarande status till många anmärkningsvärda figurer, som går tillbaka över nästan ett sekel av hängiven, hårt vann forskning.
Några av dessa namn kan vara bekanta: Albert Einstein, Edwin Hubble, Vera Rubin, etc. Men nyligen erkände Nobelprisutskottet bidrag från ett namn som du kanske inte känner igen, Jim Peebles, och gav honom hälften av Physics Award 2019"för bidrag till vår förståelse av universums utveckling och jordens plats i kosmos."
Det räcker med att säga, kosmologi skulle inte vara där den är idag utan Jim Peebles ansträngningar. Det är en sak att ange Big Bang-modell i enkelhet i baksidan av a-skjortan (t.ex. "universum brukade vara mindre och hetare, och nu är det inte"), men det är en helt annan sak att förvandla det till en exakt matematisk formulering som kan göra förutsägelser att jämföra mot observationer. Det är rättvist att säga att Peebles hjälpte till att omvandla kosmologi från "snygg och allmänt korrekt idé" till "ett område för verklig vetenskap." Låt oss utforska tre huvudvägar där hans insikter har guidat oss:
Den kosmiska mikrovågsbakgrunden
Om det tidiga universum var mindre än det är idag, måste det också ha varit varmare och tätare. Och när du väl accepterar denna verklighet inser du snabbt att någon gång i det avlägsna förflutna universum måste ha varit så tätt och så hett att det fanns i ett helt annat tillstånd.
För över 13 miljarder år sedan, när universum var ungefär en miljondel av dess nuvarande volym, var alla saker i kosmos så smutta samman att det var en plasma, ett tillstånd av materia där elektronerna rippas från atomer och är fria till ströva omkring på egen hand. Då var universum ganska intensivt.
Men sedan blev det äldre, det blev större och det blev kallare. Och vid en viss ålder sjönk temperaturen och trycket under en kritisk tröskel och elektroner kunde fästa sig vid atomer utan att omedelbart slog av. I en blixt blev universum genomskinligt för strålning, och det ljuset - bokstavligen vitt hett i ögonblicket när det släpptes - kvarstår till idag och dämpar kosmos.
Men idag har det ljuset tappat mycket ånga och kyler bara några grader över absolut noll, fast i mikrovågsbandet. Detta "kosmisk mikrovågsugn bakgrund"upptäcktes av misstag av ett par mikrovågsfysiker 1964, men ovetande för dem hade en grupp teoretiker inklusive Peebles redan förutspått dess existens. Mikrofysikerna vann Nobel 1978, men det är aldrig för sent för Nobelkommittén att erkänna teoretiker också.
Mörk materia
På 1970-talet astronom Vera Rubin upptäckte något roligt som händer med galaxer: stjärnorna inuti dem kretsade alldeles för snabbt. Så snabbt faktiskt att galaxerna borde ha kastat sig isär för miljarder år sedan. Men där var de, glada som musslor.
Vad var på gång? Förstod vi inte något om tyngdkraften i skalor lika stora som galaxer? Eller hade universum en extra ingrediens som hade varit dold för oss tills Rubins observationer?
Vissa astronomer, inklusive Rubin själv, trodde att vi behövde finjustera fysikens lagar för att få saker och ting rätt. Men andra, inklusive Peebles, tänkte att det fanns mer en galax än vad som möter ögat. Han var en av de tidigaste förespråkarna för det vi nu kallar "kall mörk materia" - en ny form av materia som inte interagerar med ljus (och därmed inte interagerar med något annat förutom genom tyngdkraften). Det vet vi nu mörk materia mättar universum och svänger ut normal materia med minst 5: 1-förhållandet.
Peebles och kollaboratörer gjorde sitt arbete med att undersöka vad den nya hypotesen skulle betyda när det gäller galaxbeteende och gav användbara tester för observatörer att rikta och mäta.
Idag, medan vi fortfarande inte helt förstår mörk materia - och vi ännu inte har fastställt den exakta identiteten - har bevisen kommit från flera vinklar, inklusive subtila avtryck i den kosmiska mikrovågsbakgrunden, men den mörka materien är en viktig ingrediens i vår universum.
Kosmisk struktur
Men Peebles slutade inte med de tidigaste ögonblicken av Big Bang eller mystiska och osynliga komponenter till vårt universum. Peebles blev väldigt stora.
Vi ser i universum omkring oss alla slags olika slags galaxer i alla slags fantasifulla arrangemang. Vissa galaxer är bundna tillsammans i jätte- kluster, medan andra är ensamma. Vissa är enorma och väldiga, och andra är små och knappt märkbara. Och när vi zooma ut till de allra största skalorna ser vi en enorm "kosmisk web, "det största mönstret som finns i naturen, en struktur som sträcker sig från den ena änden av det synliga universum till det andra.
Den kosmiska banan är gjord av galaxer, och som namnet antyder ser den ut som en kosmisk spindelväv.
Hur gjorde den där hända?
Peebles och hans vänner ledde vägen till att förklara ursprunget på den kosmiska webben, upptäcka att strukturer i vårt universum växer långsamt med tiden och bygger upp från mindre bitar till större bitar med varje förbipasserande eon.
De hittade hur man letar efter antydningar av strukturfrön i den kosmiska mikrovågsbakgrunden, synliga som små variationer i temperaturen som inte är större än 1 del av 100 000. Dessa variationer var platserna för de första poolerna med en något högre densitet än genomsnittet, där mer materia (särskilt mörk materia!) Skulle flyta under miljoner år.
Så småningom skulle de små nuggarna växa till att bli galaxer, och vissa galaxer slogs samman för att bilda kluster av galaxer. Och eftersom allt det som brukades för att bygga dessa stora strukturer måste komma från någonstans, öppnade sig stora tomma regioner och utökades. Dessa blev luckorna i den kosmiska webben, känd som tomrum.
Under årtiondena har Jim Peebles skrivit hundratals papper och samarbetat med hundratals astronomer, astrofysiker, fysiker och kosmologer, och han var en kritisk aktör i att måla porträttet av universum som vi nu förstår.
- Nobelpriset i fysik: 1901-nuvarande
- Dark Matter and Dark Energy: The Mystery Explained (Infographic)
- 11 obesvarade frågor om Dark Matter
Du kan lyssna på Ask A Spaceman-podcast påiTunes, och på webben kl http://www.askaspaceman.com. Ställ din egen fråga på Twitter med #AskASpaceman eller genom att följa Paul @PaulMattSutter och facebook.com/PaulMattSutter. Följ oss på Twitter @Spacedotcom eller Facebook.
