Các nhà thiên văn học lập bản đồ vật chất tối một cách gián tiếp, thông qua lực hấp dẫn của nó lên các vật thể khác.
Paul M. Sutter là một nhà vật lý thiên văn tại Đại học bang Ohio, máy chủ của Hỏi một người không gian và Đài phát thanh không gianvà tác giả của "Vị trí của bạn trong vũ trụ."Sutter đã đóng góp bài viết này cho Tiếng nói chuyên gia của Space.com: Op-Ed & Insights.
Nghiên cứu hiện đại về toàn bộ vũ trụ, nhánh khoa học được gọi là vũ trụ học, có được vị thế hiện tại với nhiều nhân vật đáng chú ý, trở lại sau gần một thế kỷ nghiên cứu chuyên sâu, khó thắng.
Một số tên có thể quen thuộc: Albert Einstein, Edwin Hubble, Vera Rubin, v.v. Nhưng gần đây, ủy ban giải thưởng Nobel đã công nhận những đóng góp của một cái tên mà bạn có thể không nhận ra, Jim Peebles, và đã cho anh ta một nửa giải thưởng vật lý năm 2019, "cho những đóng góp cho sự hiểu biết của chúng ta về sự tiến hóa của vũ trụ và vị trí của Trái đất trong vũ trụ."
Có thể nói, vũ trụ học sẽ không còn như ngày nay nếu không có sự nỗ lực của Jim Peebles. Đó là một điều để nói Mô hình Big Bang trong sự đơn giản của áo sơ mi (ví dụ: "vũ trụ từng nhỏ hơn và nóng hơn, và bây giờ thì không"), nhưng đó là một điều hoàn toàn khác để biến điều đó thành một công thức toán học chính xác có khả năng đưa ra dự đoán để so sánh với quan sát. Thật công bằng khi nói rằng Peebles đã giúp biến đổi vũ trụ học từ "ý tưởng gọn gàng và nói chung chính xác" thành "một lĩnh vực khoa học thực sự". Chúng ta hãy khám phá ba con đường chính nơi những hiểu biết của anh ấy đã hướng dẫn chúng tôi:
Nền vi sóng vũ trụ
Nếu vũ trụ sơ khai nhỏ hơn ngày nay, thì nó cũng phải nóng hơn và dày đặc hơn. Và một khi bạn chấp nhận thực tế này, bạn nhanh chóng nhận ra rằng, đến một lúc nào đó trong quá khứ xa xôi, vũ trụ phải dày đặc và nóng đến mức nó tồn tại ở một trạng thái hoàn toàn khác.
Hơn 13 tỷ năm trước, khi vũ trụ chỉ còn khoảng một phần triệu thể tích ngày nay, tất cả những thứ trong vũ trụ đã bị vấy bẩn đến mức nó là một plasma, một trạng thái vật chất trong đó các electron bị tách ra khỏi các nguyên tử và tự do tự mình đi lang thang. Hồi đó, vũ trụ khá dữ dội.
Nhưng sau đó nó già đi, nó lớn hơn và lạnh hơn. Và ở một độ tuổi nhất định, nhiệt độ và áp suất giảm xuống dưới ngưỡng tới hạn và các electron có thể tự gắn vào các nguyên tử mà không bị đánh bật ngay lập tức. Trong nháy mắt, vũ trụ trở nên trong suốt đối với bức xạ, và ánh sáng đó - nóng trắng theo nghĩa đen tại thời điểm phát hành - vẫn tồn tại cho đến ngày nay, thấm đẫm vũ trụ.
Nhưng ngày nay, ánh sáng đã mất rất nhiều hơi nước và làm lạnh chỉ vài độ trên độ không tuyệt đối, chắc chắn trong dải vi sóng. Điều này "nền vi sóng vũ trụ"đã vô tình được phát hiện bởi một cặp nhà vật lý vi sóng vào năm 1964, nhưng họ không biết rằng một nhóm các nhà lý thuyết bao gồm Peebles đã dự đoán sự tồn tại của nó. Các nhà vật lý vi sóng đã giành giải Nobel năm 1978, nhưng chưa bao giờ quá muộn để ủy ban Nobel nhận ra các nhà lý luận cũng vậy.
Vật chất tối
Vào những năm 1970, nhà thiên văn học Vera Rubin đã phát hiện ra một điều thú vị đang xảy ra với các thiên hà: các ngôi sao bên trong chúng đang quay quanh quá nhanh. Thật ra, rất nhanh, trên thực tế, các thiên hà đã tự tách ra hàng tỷ năm trước. Nhưng họ đã ở đó, hạnh phúc như ngao.
Chuyện gì đang xảy ra vậy? Có phải chúng ta không hiểu gì về bản chất của trọng lực ở quy mô lớn như các thiên hà? Hay vũ trụ có một thành phần phụ đã bị che giấu cho đến khi chúng ta quan sát Rubin?
Một số nhà thiên văn học, bao gồm cả bản thân Rubin, nghĩ rằng chúng ta cần phải điều chỉnh các định luật vật lý để làm cho mọi thứ trở nên đúng đắn. Nhưng những người khác, bao gồm Peebles, đã hình dung rằng có nhiều thiên hà hơn là bắt mắt. Ông là một trong những người đề xướng sớm nhất cái mà chúng ta gọi là "vật chất tối lạnh" - một dạng vật chất mới không tương tác với ánh sáng (và do đó không tương tác với bất kỳ thứ gì khác ngoại trừ thông qua trọng lực). Bây giờ chúng ta biết rằng vật chất tối bão hòa vũ trụ, loại bỏ vật chất bình thường theo tỷ lệ 5: 1.
Peebles và cộng tác viên đã làm công việc điều tra giả thuyết mới này có ý nghĩa gì về hành vi của thiên hà và cung cấp các thử nghiệm hữu ích cho các nhà quan sát để nhắm mục tiêu và đo lường.
Ngày nay, trong khi chúng ta vẫn chưa hiểu đầy đủ về vật chất tối - và chúng ta vẫn chưa xác định chính xác danh tính của nó - bằng chứng đến từ nhiều góc độ, bao gồm cả những dấu ấn tinh tế trong nền vi sóng vũ trụ, vật chất tối đó là thành phần chính của chúng ta vũ trụ.
Cấu trúc vũ trụ
Nhưng Peebles đã không dừng lại với những khoảnh khắc sớm nhất của Vụ nổ lớn hay những thành phần bí ẩn và vô hình trong vũ trụ của chúng ta. Peebles đã đi lớn - cách lớn.
Chúng ta thấy trong vũ trụ xung quanh chúng ta tất cả các loại thiên hà khác nhau trong tất cả các loại sắp xếp huyền ảo. Một số thiên hà bị ràng buộc với nhau trong các cụm khổng lồ, trong khi những thiên hà khác là những kẻ cô độc. Một số là rất lớn và hulking, và những người khác là nhỏ và hầu như không đáng chú ý. Và khi chúng tôi thu nhỏ quy mô lớn nhất, chúng tôi thấy một "web vũ trụ, "Mô hình lớn nhất được tìm thấy trong tự nhiên, một cấu trúc kéo dài từ đầu này đến đầu kia của vũ trụ hữu hình.
Mạng lưới vũ trụ được tạo thành từ các thiên hà, và như tên gọi, trông giống như một mạng nhện vũ trụ.
Như thế nào cái đó xảy ra?
Peebles và những người bạn của ông đã dẫn đường để giải thích nguồn gốc của mạng vũ trụ, phát hiện ra rằng các cấu trúc trong vũ trụ của chúng ta phát triển chậm theo thời gian, xây dựng từ các bit nhỏ hơn đến các bit lớn hơn với mỗi lần đi qua.
Họ tìm thấy cách tìm kiếm gợi ý về các hạt cấu trúc trong nền vi sóng vũ trụ, có thể nhìn thấy dưới dạng những biến đổi nhỏ của nhiệt độ không lớn hơn 1 phần trong 100.000. Những biến thể đó là vị trí của các bể đầu tiên có mật độ cao hơn một chút so với trung bình, nơi có nhiều vật chất (đặc biệt là vật chất tối!) Sẽ chảy trong suốt hàng triệu năm.
Cuối cùng, những hạt cốm nhỏ đó sẽ phát triển thành các thiên hà và một số thiên hà được gộp lại với nhau để tạo thành các cụm thiên hà. Và vì tất cả những thứ được sử dụng để xây dựng các cấu trúc lớn này phải đến từ một nơi nào đó, các vùng trống rộng lớn đã mở và mở rộng. Chúng trở thành những khoảng trống trong mạng vũ trụ, được gọi là khoảng trống.
Trong nhiều thập kỷ, Jim Peebles đã viết hàng trăm bài báo và hợp tác với hàng trăm nhà thiên văn học, nhà vật lý thiên văn, nhà vật lý và nhà vũ trụ học, và ông là một người chơi quan trọng trong việc vẽ chân dung vũ trụ mà ngày nay chúng ta hiểu.
- Giải thưởng Nobel Vật lý: 1901-Hiện tại
- Vật chất tối và Năng lượng tối: Giải thích bí ẩn (Infographic)
- 11 câu hỏi chưa được trả lời về vấn đề đen tối
Bạn có thể nghe podcast Ask A Spaceman trêniTunesvà trên Web tại http://www.askaspaceman.com. Đặt câu hỏi của riêng bạn trên Twitter bằng cách sử dụng #AskASpaceman hoặc theo Paul @PaulMattSutter và facebook.com/PaulMattSutter. theo dõi chúng tối trên Twitter @Spacesotcom hoặc là Facebook.
