Новая Карта Темной Материи ставит Теорию Большого Взрыва на Суде (Круглый стол Кавли)

Адам Хадхази, писатель и редактор The Фонд Кавли внес эту статью в Экспертные голоса Space.com: Op-Ed & Insights ,

Преобладающий взгляд на вселенную только что прошел строгое новое испытание, но тайны темной материи и темной энергии остаются разочаровывающе неразрешимыми.

В августе была обнародована новая космическая карта, на которой показано, где таинственная субстанция, называемая темной материей, сгущается по всей вселенной. К огромному облегчению - и разочарованию - карта - это то, что ученые ожидали. Распределение темной материи согласуется с нашим нынешним пониманием вселенной, рожденной с определенными свойствами в результате Большого взрыва 13,8 миллиардов лет назад. [ Вселенная: большой взрыв за 10 простых шагов ]

Но, несмотря на всю подтверждающую силу карты, она все еще мало говорит нам об истинной идентичности темная материя , который действует как невидимый эшафот для галактик и космической структуры. Это также не объясняет еще больший фактор, формирующий космос, известный как темная энергия, загадочная сила, по-видимому, раздвигающая вселенную на все больших скоростях. Однако, что мучительно, небольшое расхождение между новыми открытиями и предыдущими наблюдениями ранней вселенной может просто открыть дверь для новой физики.

Для обсуждения этих вопросов Фонд Кавли обратился к трем ученым, участвовавшим в создании этой новой космической карты, составленной Обзор темной энергии ,

Участниками были:

  • Скотт Доделсон - это космолог и заведующий кафедрой физики в университете Карнеги-Меллона. Он является одним из ведущих ученых, создавших новую карту космической структуры в Обзоре темной энергии, над которой он работал в Национальной ускорительной лаборатории Ферми и в качестве профессора в Кавлинский институт космологической физики в Чикагском университете.
  • RISA WECHSLER - это доцент физики в Стэнфордском университете и Национальной ускорительной лаборатории SLAC, а также является членом Кавлинский институт астрофизики и космологии частиц , Основатель «Обзора темной энергии», Векслер также участвует в двух проектах следующего поколения, которые еще глубже погрузятся в темную вселенную.
  • ДЖОРДЖ ЭФСТАТИУ - это профессор астрофизики и бывший директор Кавлинский институт космологии в Кембриджском университете. Наряду со своей работой над «Обзором темной энергии» Эфстатиу является руководителем научной группы космического корабля «Планк» Европейского космического агентства, который в период с 2009 по 2013 год создал подробную карту ранней Вселенной.

Ниже приводится отредактированная стенограмма их обсуждения за круглым столом. Участникам была предоставлена ​​возможность изменить или отредактировать свои замечания.

ФОНД КАВЛИ: Обзор Темной Энергии только что подтвердил, что материя, поскольку мы знаем, что она составляет только четыре процента вселенной. Это означает, что 96 процентов - это то, что мы не можем ни увидеть, ни потрогать, и мы практически не знаем, что это такое. Почему эти новые открытия на самом деле хорошие новости?

RISA WECHSLER: Кажется очень странным, что результаты - хорошие новости, верно? Сорок лет назад никто бы не догадался, что мы, очевидно, живем во вселенной, в которой большая часть материи - это то, что не взаимодействует с нами, а большая часть энергии - даже не материя! Это все еще супер умопомрачительный.

Исследование Рисы Векслер использует компьютерные модели и численное моделирование, чтобы вести хронику эволюции Вселенной от Большого взрыва до сегодняшнего дня.

(Изображение: © Risa Wechsler)

Но мы продолжали делать все более точные измерения Вселенной, и именно здесь приходят результаты Обзора Темной Энергии. Они являются наиболее точными измерениями плотности материи и того, как она складывается в локальной вселенной. В прошлом мы измеряли плотность вещества в молодой далекой вселенной. Таким образом, «Обзор темной энергии» действительно позволяет нам проверить наше понимание эволюции Вселенной, которое мы формализовали как стандартную модель космологии Большого взрыва [см. Врезку ниже: « Космический Рецепт "], совершенно по-новому.

Тем не менее, вполне возможно, что у нас может быть что-то не так.

СКОТТ ДОДЕЛЬСОН: Эти данные, наряду с точными измерениями, выполненными другими проектами, могут начать показывать небольшие намеки на несогласие или напряженность, как мы это называем, с нашим нынешним пониманием того, как Вселенная начался и сейчас фактически расширяется с увеличением скорости.

Скотт Додельсон фокусируется на пересечении космологии и астрофизики частиц, где в конечном итоге возникают самые большие космические структуры из-за поведения мельчайших частиц материи и темной материи.

(Изображение: © Скотт Додельсон)

Как только что сказала Риса, мы не уверены, что наше нынешнее мышление правильное, потому что оно по сути требует от нас придумывать вещи, а именно темную материю и темную энергию. Может случиться так, что мы находимся всего в одном месяце от научной революции, которая разрушит все наше понимание космологии и не потребует этих вещей. [ Удивительные фотографии с камеры темной энергии в Чили ]

ДЖОРДЖ ЭФСТАТИУ: Те измерения материи и энергии в молодой далекой вселенной, на которые ссылалась Риса, были получены всего несколько лет назад, когда другая программа под названием Планк изучала реликтовое излучение Большого взрыва, которое мы называем космический микроволновый фон , Хотя измерения космического корабля Планка подтверждают модель, о которой мы говорим, всегда нелегко постулировать такие вещи, как темная материя и темная энергия, которые не наблюдались. Вот почему обзор темной энергии очень важен - он может строго проверить наши знания о рождении вселенной, сравнивая их с фактической структурой современной и молодой вселенной.

TKF: Исследование темной энергии началось четыре года назад, так что вы долго ждали, пока эти результаты появятся. Какова была ваша первоначальная реакция?

ДОДЕЛЬСОН: Это был самый удивительный опыт в моей научной карьере. 7 июля 2017 года, дату, которую я всегда буду помнить, к конференции было подключено 50 человек. Никто не знал, что собирались сказать данные, потому что они были ослеплены, что предохраняет от случайного искажения результатов, чтобы вы были тем, кем «хотите» их видеть. Затем один из лидеров анализа линз, Майкл Троксель, запустил компьютерный сценарий с данными, разблокировал их и поделился своим экраном со всеми при вызове. Мы все должны увидеть наши результаты по сравнению с Планком. Они были в таком тесном согласии, независимо друг от друга. Мы все ахнули, а потом хлопали.

УЭЧСЛЕР: Я тоже был на этой телефонной конференции. Это было действительно захватывающе. Я работал над этим опросом с тех пор, как мы написали первое предложение в 2004 году, так что это казалось кульминацией.

TKF: В 2013 году Планк дал нам очень точную «детскую» картину вселенной. Теперь у нас есть очень точная картина вселенной в более позднюю эпоху. Джордж, ты был лидером в миссии Планка. Что вы видите, когда смотрите на эти два разных снимка во времени?

EFSTATHIOU: картина "ребенка" соответствует вселенной, в основном сделанной из темной материи и темной энергии. Это также согласуется с идеей о том, что вселенная подверглась экспоненциальному расширению в свои самые ранние моменты, известные как инфляция , Так как же картина ребенка экстраполируется на современную «взрослую» вселенную? Как показывают новые результаты исследования темной энергии, снимки удивительно последовательны.

Джордж Эфстатиу интересуется как наблюдательной, так и теоретической космологией, включая исследования крупномасштабной структуры, формирования галактик и космического микроволнового фона.

(Изображение: © Джордж Эфстатиу)

ДОДЕЛЬСОН: Мы все удивлены, что эти две картины согласуются в той степени, в которой они. Вот пример. Допустим, вы купили акцию Berkshire Hathaway в 1970 году. Скажем, тогда она составляла 10 долларов, а сегодня - 250 тысяч долларов. Если бы вы тогда предсказывали, что сегодня это будет 250 000 долларов, плюс или минус 1000 долларов, люди бы подумали, что вы сошли с ума. Но в основном это то, что мы сделали. Когда вселенная была очень молода, ей было всего 380 000 лет, она также была очень «гладкой». Материя была так равномерно распределена. Однако сегодня - более 13 миллиардов лет спустя - вещество в космосе сильно, сильно сгруппировано в галактиках, звездах, планетах и ​​других объектах. Это то, что можно ожидать с космическим расширением, и с помощью Обзора темной энергии мы смогли в значительной степени подтвердить предсказание этой космической неравномерности.

WECHSLER: Что действительно помогло нам сделать точные измерения с помощью Dark Energy Survey, так это то, что мы впервые видим гораздо большую область, примерно одну тридцатую части неба. Это в три или четыре раза больше, чем самая большая карта темной материи, которую мы когда-либо делали. Мы также можем сделать эту карту, по существу, за половину возраста Вселенной, начиная с настоящего момента и до семи миллиардов лет назад, собирая свет, сияющий от далеких галактик. Таким образом, мы можем рассказать эту историю за половину истории вселенной, и она остается неизменной на протяжении всей истории.

Есть некоторые небольшие разногласия с результатами Планка, но я не думаю, что мы должны слишком беспокоиться о них. [ Галерея: Космический корабль Планка видит реликвии Большого взрыва ]

EFSTATHIOU: Было бы очень интересно, если бы результаты значительно увеличили напряжение с космологической стандартной моделью, которая является основой для понимания того, почему, начиная с Большого взрыва, Вселенная подвергается ускоренному расширению. Некоторые предыдущие опросы предполагали, что могут быть проблемы, хотя я думал, что эти результаты сомнительны. На мой взгляд, следует полагаться на данные и не пугаться, если наши теории не согласны с наблюдениями. Вселенная такая, какая она есть.

TKF: все же Новости природы охарактеризовал взгляд Джорджа на расхождения как «вызывающий беспокойство».

EFSTATHIOU: Ну, да, были некоторые заявления о напряженности между комкованием, измеренным в локальной вселенной, и наблюдениями Планка за далекой вселенной. Некоторые другие наблюдения предполагают, что поздняя локальная вселенная расширяется с большей скоростью, чем ожидалось от Планка.
Если бы мы смогли убедительно сказать, что какая-то из этих отдельных частей данных представляла собой реальную проблему, нам пришлось бы отказаться от нашей стандартной модели космологии. Нам нужна новая физика, а физика, которая нам нужна, была бы на экзотической территории, отменив десятилетия независимо поддерживаемых физических законов. Так что это большое дело.

В прошлом такие виды напряженности приходили и уходили. Когда мы писали статьи Планка 2013 года, тогда результаты находились в противоречии с большей частью астрофизики. Затем, два года спустя, некоторые из этих напряжений исчезли, и теперь, в 2017 году, они вновь появились. Итак, эти вещи приходят и уходят. Мы должны установить высокий порог для нашей науки, прежде чем приступить к объяснениям, основанным на новой физике.

TKF: Это звучит почти так: «Если это еще не сломано, не исправляйте это».

EFSTATHIOU: Мы должны быть уверены, что он сломался, прежде чем исправить.

WECHSLER: Я согласен с Джорджем. Есть очень высокая планка, чтобы показать, что вы действительно понимаете все потенциальные источники ошибок, прежде чем сделать большой шаг, чтобы отказаться от нашей нынешней, хорошо доказанной концепции о вселенной. Я не думаю, что мы там еще. Это означает, что мы должны быть очень рады продолжающемуся обзору темной энергии, а также всем другим предстоящим обзорам и проектам.

TKF: Действительно, эти новые результаты основаны на годовой оценке из пяти лет. Что мы можем ожидать после четырех лет данных?

WECHSLER: С четырьмя данными больше наша карта темной материи будет еще более точной. Я также ожидаю улучшения наших методов анализа. Также будет множество других новых вещей, которые должен открыть Обзор темной энергии, в том числе новые карликовые галактики вокруг нашей галактики Млечный Путь что мы долго думали, должно быть, но не смогли найти. Есть много чего с нетерпением жду!

ДОДЕЛЬСОН: Повышенная точность, о которой только что говорила Риса, позволит нам поразить стандартную модель космологии так же сильно, как и когда-либо. Опровержение нынешней модели революционизирует наш взгляд на вселенную, так что это самое захватывающее, что я могу себе представить.

TKF: Как астрофизики расширяют охоту на темную материю и темную энергию? Риса, давай начнем с тебя, потому что ты тесно вовлечен в два проекта "темной вселенной" следующего поколения.

WECHSLER: С помощью спектроскопического прибора темной энергии, или DESI [произносится как «DEZ-ee»], мы получим то, что мы называем спектрами, или подробные наблюдения света от примерно 35 миллионов галактик и квазаров, которые являются галактиками, которые выглядят как дополнительные. яркие, потому что их центральные черные дыры активно пожирают материю. Это примерно в 10 раз больше данных о спектре, чем мы собрали со всех инструментов, так что вы можете себе представить, что это будет действительно преобразующим. С помощью DESI мы сможем независимо измерить скорость расширения вселенной и скорость роста ее структуры материи и темной материи, на которую влияют темная энергия , Затем, когда вы сравниваете эти измерения, вы получаете точный тест на физику, управляющую вселенной. DESI начнется в 2019 году с использованием телескопа в Аризоне.

Другой важный новый инструмент, над которым я работаю, это Большой синоптический обзорный телескоп , LSST. Он будет делать наблюдения точно так же, как обзор темной энергии, но с существенно более высокой точностью. Фактически, он охватит примерно в четыре раза больше территории, и миллиарды галактик, которые он увидит, будут намного глубже и дальше. LSST будет новой обсерваторией, которая будет построена в Чили прямо сейчас, и ее планируется начать примерно в 2022 году.

ДОДЕЛЬСОН: Я предполагаю, что оба проекта поставят новые научные вопросы. Мы уже видели это в обзоре темной энергии. Вопросы меняются со временем и развиваются, поэтому я не уверен, что мы знаем, что самое интересное, что мы собираемся извлечь из LSST или DESI. [ 10 самых больших телескопов на Земле: как они соответствуют ]

EFSTATHIOU: Одна из моих надежд на Планка состояла в том, что стандартная модель космологии сломается, а она - нет. Но разве это не было бы замечательно для космологии и физики? Таким образом, мы должны отключиться и посмотреть. Может нам повезет.

TKF: Если бы вам пришлось делать ставку на то, что на самом деле представляет собой темная материя и темная энергия, куда бы вы поставили свои фишки?

ДОДЕЛЬСОН: Мы живем в эпоху когнитивного диссонанса. Есть все эти космологические доказательства существования темной материи, но за последние 30 лет мы провели все эти эксперименты и не нашли их. Держу пари, что мы смотрим на вещи все неправильно. Кто-то, кому сегодня 8 лет, придет и выяснит, как разобраться во всех данных, не вызывая при этом таинственных новых веществ.

EFSTATHIOU: Какие шансы вы даете на это, Скотт?

ДОДЕЛЬСОН: Я ставлю 2000 долларов на деньги Джорджа. [Смех]

EFSTATHIOU: Я бы не стал делать ставку на какого-либо конкретного кандидата на темную материю. Но держу пари, что темная энергия космологическая постоянная фактор выдумки, изобретенный Эйнштейном для описания плотности энергии в вакууме.

WECHSLER: Я в основном с Джорджем на этот раз. Я думаю, что если Скотт прав, это будет замечательно - но это определенно не то место, куда я бы положил свои деньги. [ Галерея: Темная материя во Вселенной ]

Я думаю, что очень вероятно, что через 15 лет мы будем измерять темную энергию, вызванную этой космологической постоянной. Мы сможем уменьшить количество ошибок и обнаружим, что наша нынешняя модель все еще работает.

Что касается темной материи, я думаю, что это намного менее ясно. Долгое время самым популярным кандидатом была эта вещь, называемая WIMP, или Слабо Взаимодействующая Массивная Частица. Эта идея все еще популярна и вполне возможна, но многие частицы, которые могли бы быть темной материей, уже исключены. Другой действительно убедительный кандидат - это субатомная частица, называемая аксион. Люди только достигают места, где они могут начать искать эти частицы, которые, по нашему мнению, будет чрезвычайно трудно обнаружить. Также возможно, что темная материя может удивить нас, что это какая-то новая разновидность частиц, у нас пока нет техник для поиска.

Также возможно, что темная материя может удивить нас, что это какая-то новая разновидность частиц, у нас пока нет техник для поиска

Из чего состоит наша вселенная.

(Изображение: © ESA и Planck Collaboration)

SIDEBAR: космический рецепт : в последние десятилетия ученые остановились на модели вселенной, которая в основном невидима и неизвестна. Известная как стандартная модель космологии Большого взрыва, она предусматривает, что материя в том виде, в каком мы ее знаем, включая людей, планеты и звезды, составляет всего около 4–5 процентов от общего космического состава. Около 26 процентов космоса - темная материя, которая, как считается, состоит из массивных частиц, которые не излучают свет и слабо взаимодействуют с нормальной материей. Остальное - темная энергия, сила, которая ускоряет расширение вселенной и составляет почти 70 процентов реальности. Все эти космические компоненты восходят к происхождению Вселенной в Большом Взрыве, примерно 13,8 миллиардов лет назад.

Следите за всеми вопросами и дебатами Expert Voices и станьте частью дискуссии на facebook , щебет а также Google+ , Выраженные взгляды принадлежат автору и не обязательно отражают взгляды издателя. Эта версия статьи была опубликована на Space.com ,

Почему эти новые открытия на самом деле хорошие новости?
Какова была ваша первоначальная реакция?
Что вы видите, когда смотрите на эти два разных снимка во времени?
Что мы можем ожидать после четырех лет данных?
TKF: Как астрофизики расширяют охоту на темную материю и темную энергию?
Но разве это не было бы замечательно для космологии и физики?
TKF: Если бы вам пришлось делать ставку на то, что на самом деле представляет собой темная материя и темная энергия, куда бы вы поставили свои фишки?
Где купить протеин
Без спортивного питания добиваться реальных результатов гораздо сложнее и дольше. Уже каждому любителю хорошо известно, что без него эффективность тренировок гораздо ниже. Сегодня купить протеин становится