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暗物质的最大问题可能只是数字错误

  • 2019-11-16 09:19:35

宇宙学的最终目标包含任何科学领域的最大抱负:了解整个宇宙的诞生,成长和进化。这包括每个粒子,反粒子和能量量子,它们如何相互作用以及时空结构如何与它们一起演化。原则上,如果您可以在某个较早的时间写下描述宇宙的初始条件,包括其组成,内容的分布方式以及物理定律,那么您可以随时模拟它的外观在将来。

然而,实际上,这是一个非常困难的任务。一些计算很容易执行,并且将我们的理论预测与可观察到的现象联系起来很容易。在其他情况下,建立这种连接要困难得多。这些联系为暗物质提供了最佳的观察测试,如今暗物质已构成可见宇宙的27%。但是,特别是一项测试是暗物质一次又一次失败的测试。最后,科学家们可能已经弄清楚了为什么,而整个问题可能只不过是一个数字错误。

当您想到当今的宇宙时,您可以立即认识到以各种长度尺度检查宇宙时,宇宙看起来有何不同。在单个恒星或行星的尺度上,宇宙非常空虚,只有偶有固体物体碰到。例如,行星地球的密度大约是宇宙平均密度的10到30倍。但是,随着尺度的扩大,宇宙开始变得平滑得多。

像银河系这样的单个星系,其密度可能仅比宇宙平均密度高数千倍,而如果我们以大型银河系或星团(跨越约10至3000万光年)的尺度研究宇宙),最密集的区域的密度仅为典型区域的几倍。在所有最大的尺度上(十亿光年或更长时间,宇宙网的最大特征都出现了),宇宙的密度到处都是相同的,精确度约为0.01%。

如果我们根据一整套观测结果支持的最佳理论期望对宇宙建模,我们预计它将开始充满物质,反物质,辐射,中微子,暗物质和一小部分暗能量。它应该已经开始几乎完全统一,其中高密度和低密度区域处于30,000分之一的水平。

在最早的阶段,许多交互都同时发生:

引力吸引作用使过稠的区域生长,

粒子间的相互作用以及光子与粒子间的相互作用可驱散正常物质(而不是暗物质)(并赋予其动量),

辐射自由流从规模足够小的密集区域流出,冲刷形成得太早的结构(规模太小)。

结果,到380万年前,宇宙已经出现了复杂的密度和温度波动模式,其中最大的波动发生在非常特定的尺度上:正常物质最大程度地塌陷,辐射具有最小的机会自由流出来。在较小的角度范围内,波动表现出周期性的峰谷,其幅度下降,正如您理论上所预计的那样。

由于密度和温度波动(即实际密度与平均密度的偏差)仍然很小(比平均密度本身小得多),因此很容易做出预测:您可以进行分析。观察到,这种波动模式应该出现在宇宙的大规模结构(显示星系之间的相关性和反相关性)和宇宙微波背景中所烙印的温度缺陷中。

在物理宇宙学中,这些是从理论角度最容易做出的预测。您可以非常容易地计算出一个均匀均匀的宇宙,该宇宙在任何地方都具有相同的精确密度(即使它混合在正常物质,暗物质,中微子,辐射,暗能量等中)也是如此:这就是您计算背景的方式时空会随着时空的变化而变化。

您也可以在此背景之上添加缺陷。您可以通过在任何点上用平均密度加上叠加在其上的微小瑕疵(正或负)建模来提取非常精确的近似值。只要与平均(背景)密度相比,缺陷仍然很小,就可以轻松计算出这些缺陷如何演变。当这种近似有效时,我们就说我们处于线性状态,并且这些计算可以由人工完成,而无需进行数值模拟。

在大宇宙尺度上,这种近似值在早期是有效的,并且密度波动与平均整体宇宙密度相比仍然很小。这意味着在最大宇宙尺度上测量宇宙应该是对暗物质和我们的宇宙模型的非常有力,鲁棒的测试。毫不奇怪,尤其是在银河系星团和更大星系尺度上对暗物质的预测取得了惊人的成功。

但是,在较小的宇宙尺度上,尤其是在单个星系的尺度和较小的星系尺度上,近似不再是好事。与背景密度相比,一旦宇宙中的密度波动变大,您将无法再手动进行计算。相反,当您从线性状态过渡到非线性状态时,您需要数值模拟来帮助您。

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