29.5: Ulimwengu umefanywa kwa kweli?

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza ni sehemu gani ya wiani wa ulimwengu inayochangiwa na nyota na galaxi na kiasi gani cha kawaida (kama vile hidrojeni, heliamu, na elementi zingine tunazozifahamu hapa duniani) hufanya wiani wa jumla
• Eleza jinsi mawazo kuhusu yaliyomo ya ulimwengu yamebadilika zaidi ya miaka 50 iliyopita
• Eleza kwa nini ni vigumu kuamua nini jambo la giza ni kweli
• Eleza kwa nini jambo la giza lilisaidia galaxi kuunda haraka katika ulimwengu wa mwanzo
• Muhtasari wa mageuzi ya ulimwengu tangu wakati CMB ilitolewa hadi leo

Mfano wa ulimwengu tuliyoelezea katika sehemu iliyopita ni mfano rahisi zaidi unaoelezea uchunguzi. Inadhani kuwa relativity ya jumla ni nadharia sahihi ya mvuto katika ulimwengu wote. Kwa dhana hii, mfano huo basi huhesabu kuwepo na muundo wa CMB; wingi wa elementi za mwanga deuterium, heliamu, na lithiamu; na kuongeza kasi ya upanuzi wa ulimwengu. Uchunguzi wote hadi sasa unasaidia uhalali wa mfano, ambao hujulikana kama mfano wa kawaida (au uwiano) wa cosmology.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) na Jedwali\(\PageIndex{1}\) muhtasari makadirio ya sasa bora ya yaliyomo ya ulimwengu. Sifa luminous katika nyota na galaxi na neutrinos huchangia takriban 1% ya masi inayotakiwa kufikia wiani muhimu. Nyingine 4% ni hasa katika mfumo wa hidrojeni na heliamu katika nafasi kati ya nyota na katika nafasi ya kati ya galaksi. Suala la giza linahusu asilimia 27 ya ziada ya wiani muhimu. Masi sawa ya nishati ya giza (kulingana na\(E = mc^2\)) kisha hutoa 68% iliyobaki ya wiani muhimu.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) Muundo wa Ulimwengu. Tu kuhusu 5% ya wingi wote na nishati katika ulimwengu ni suala ambalo tunajua hapa duniani. Suala la kawaida lina hidrojeni na heliamu ziko katika nafasi ya interstellar na intergalactic. Takriban nusu moja ya 1% ya wiani muhimu wa ulimwengu hupatikana katika nyota. Suala la giza na nishati ya giza, ambayo bado haijaonekana katika maabara ya ardhi, akaunti kwa 95% ya yaliyomo ya ulimwengu.

Jedwali\(\PageIndex{1}\): Ni aina gani za Vitu Vinachangia Uzito wa Ulimwengu

Kitu	Uzito wiani kama Asilimia ya Wiani Muhimu
Suala luminous (nyota, nk)	<1
Hidrojeni na heliamu katika nafasi ya interstellar na intergalactic	4
Jambo la giza	27
Uzito sawa wa wingi wa nishati ya giza	68

Jedwali hili linapaswa kukushtua. Tunachosema ni kwamba 95% ya vitu vya ulimwengu ni jambo la giza au nishati ya giza- wala ambayo haijawahi kugunduliwa katika maabara hapa duniani. Kitabu hiki chote, ambacho kimezingatia vitu vinavyotoa mionzi ya umeme, kwa ujumla imekuwa ikipuuza 95% ya kile kilichopo nje. Ambaye anasema hakuna siri kubwa bado kutatua katika sayansi!

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) kinaonyesha jinsi mawazo yetu ya muundo wa ulimwengu yamebadilika zaidi ya miongo mitatu iliyopita. Sehemu ya ulimwengu tunayofikiri imeundwa kwa chembe sawa na wanafunzi wa astronomia imekuwa ikipungua kwa kasi.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\) Kubadilisha Makadirio ya Maudhui ya Ulimwengu. Mchoro huu unaonyesha mabadiliko katika ufahamu wetu wa yaliyomo ya ulimwengu katika miongo mitatu iliyopita. Katika miaka ya 1970, tulidhani kuwa sehemu kubwa ya mambo katika ulimwengu haikuonekana, lakini tulidhani kwamba jambo hili linaweza kuwa jambo la kawaida (protoni, neutroni, n.k.) ambalo halikuzalisha mionzi ya sumakuumeme. Kufikia miaka ya 1980, ilikuwa inawezekana kuwa jambo kubwa la giza lilifanywa kwa kitu ambacho hatujaona bado duniani. Kufikia mwishoni mwa miaka ya 1990, majaribio mbalimbali yalionyesha kwamba tunaishi katika ulimwengu muhimu -wiani na kwamba nishati ya giza inachangia kuhusu 70% ya kile kinachohitajika kufikia wiani muhimu. Kumbuka jinsi makadirio ya umuhimu wa jamaa wa suala la kawaida la mwanga (lililoonyeshwa kwa njano) limepungua kwa muda.

Je, ni jambo gani la giza?

Wanaastronomia wengi wanaona hali tuliyoelezea kuridhisha sana. Majaribio kadhaa ya kujitegemea sasa yanakubaliana juu ya aina ya ulimwengu tunayoishi na kwenye hesabu ya kile kilicho nacho. Tunaonekana kuwa karibu sana na kuwa na mfano wa cosmological unaoelezea karibu kila kitu. Wengine bado hawajawa tayari kuruka kwenye bandwagon. Wanasema, “nionyeshe 96% ya ulimwengu ambao hatuwezi kuchunguza moja kwa moja—kwa mfano, nipate jambo la giza!”

Mwanzoni, wanaastronomia walidhani kwamba jambo la giza linaweza kufichwa katika vitu vinavyoonekana giza kwa sababu hazitoi nuru yoyote (kwa mfano, mashimo meusi) au ambazo hazizimia mno kuzingatiwa katika umbali mkubwa (k.m., sayari au vijidudu vyeupe). Hata hivyo, vitu hivi vingefanywa kwa suala la kawaida, na wingi wa deuterium inatuambia kwamba hakuna zaidi ya 5% ya wiani muhimu ina jambo la kawaida.

Fomu nyingine inayowezekana ambayo suala la giza linaweza kuchukua ni aina fulani ya chembe ya msingi ambayo hatujagundua hapa duniani—chembe ambayo ina wingi na ipo kwa wingi wa kutosha kuchangia 23% ya wiani muhimu. Baadhi ya nadharia za fizikia hutabiri kuwepo kwa chembe hizo. Darasa moja la chembe hizi limepewa jina la WIMPs, ambalo linasimama kwa kuingiliana kwa chembe kubwa. Kwa kuwa chembe hizi hazishiriki katika athari za nyuklia zinazosababisha uzalishaji wa deuterium, wingi wa deuteriamu hauweka mipaka juu ya jinsi WIMPs wengi wanaweza kuwa katika ulimwengu. (Idadi ya chembe nyingine za kigeni pia zimependekezwa kama wapiga kura mkuu wa suala la giza, lakini tutaifunga majadiliano yetu kwa WIMPs kama mfano muhimu.)

Ikiwa idadi kubwa ya WIMPs zipo, basi baadhi yao wanapaswa kupitia maabara yetu ya fizikia hivi sasa. Hila ni kuwakamata. Kwa kuwa kwa ufafanuzi wanaingiliana tu dhaifu (mara kwa mara) na suala lingine, nafasi ya kuwa watakuwa na athari inayoweza kupimika ni ndogo. Hatujui umati wa chembe hizi, lakini nadharia mbalimbali zinaonyesha kuwa inaweza kuwa chache hadi mara mia chache masi ya protoni. Ikiwa WIMPs ni mara 60 ya wingi wa proton, kutakuwa na milioni 10 kati yao kupitia mkono wako ulionyoshwa kila sekunde-bila athari yoyote kwako. Ikiwa hiyo inaonekana kuwa ya kuchukiza akili, kumbukeni kwamba neutrinos huingiliana dhaifu na jambo la kawaida, na bado tuliweza “kuwakamata” hatimaye.

Licha ya changamoto, majaribio zaidi ya 30 yaliyoundwa kuchunguza WIMPS yanatumika au katika hatua za kupanga. Utabiri wa mara ngapi WIMPs inaweza kweli collide na kiini cha atomi katika chombo iliyoundwa kuchunguza yao ni katika aina mbalimbali ya 1 tukio kwa mwaka kwa 1 tukio kwa miaka 1000 kwa kila kilo ya detector. Kwa hiyo detector lazima iwe kubwa. Inapaswa kulindwa kutokana na mionzi au aina nyingine za chembe, kama vile nyutroni, zinazopitia, na hivyo detectors hizi zinawekwa kwenye migodi ya kina. Nishati iliyotolewa kwa kiini cha atomiki katika detector kwa mgongano na WIMP itakuwa ndogo, na hivyo detector inapaswa kupozwa kwa joto la chini sana.

Detectors WIMP hufanywa nje ya fuwele za germanium, silicon, au xenon. Detectors ni kilichopozwa kwa elfu chache ya shahada - karibu sana na sifuri kabisa. Hiyo ina maana kwamba atomi katika detector ni baridi sana kwamba wao ni nadra vibrating wakati wote. Kama chembe ya jambo giza ikigongana na atomi moja, itasababisha kioo nzima kutetemeka na kwa hiyo halijoto kuongezeka milele hivyo kidogo. Baadhi ya mwingiliano mwingine inaweza kuzalisha flash detectable ya mwanga.

Aina tofauti ya utafutaji wa WIMPs unafanywa katika Kubwa Hadron Collider (LHC) katika CERN, maabara ya fizikia ya chembe ya Ulaya karibu na Geneva, Uswisi. Katika jaribio hili, protons hugongana na nishati ya kutosha inayoweza kuzalisha WIMPs. Detectors LHC hawawezi kuchunguza WIMPs moja kwa moja, lakini kama WIMPs ni zinazozalishwa, watapita kupitia detectors, kubeba nishati mbali nao. Wafanyabiashara wataongeza nishati zote ambazo huchunguza kama matokeo ya migongano ya protoni ili kuamua kama nishati yoyote haipo.

Hadi sasa, hakuna hata majaribio haya yamegundua WIMPs. Je! Majaribio mapya yatalipa? Au wanasayansi watatafuta maelezo mengine ya suala la giza? Wakati tu utasema (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{3}\) Dark Matter. Cartoon hii kutoka NASA inachukua kuangalia kwa kuchekesha jinsi tunavyoelewa kidogo kuhusu jambo la giza.

Mambo ya giza na Uundaji wa Galaxies

Kama jambo lisilo la giza linaweza kuwa katika ulimwengu wa sasa wa siku, galaxi hazikuweza kuunda haraka bila hiyo. Galaxi zilikua kutokana na kushuka kwa wiani katika ulimwengu wa mwanzo, na baadhi walikuwa tayari wameunda miaka milioni 400—500 tu baada ya Big Bang. Uchunguzi na WMAP, Planck, na majaribio mengine hutupa taarifa juu ya ukubwa wa mabadiliko hayo ya wiani. Inageuka kuwa tofauti za wiani tunazozingatia ni ndogo sana kutengeneza galaxi hivi karibuni baada ya Big Bang. Katika ulimwengu wa moto, mapema, fotoni zenye nguvu ziligongana na hidrojeni na heliamu, na kuzizuia kusonga kwa kasi kiasi kwamba mvuto bado haukuwa na nguvu ya kutosha kusababisha atomi ziunganike ili kuunda galaxi. Tunawezaje kupatanisha hili na ukweli kwamba galaxi ziliunda na ziko karibu nasi?

Vyombo vyetu vinavyopima CMB hutupa habari kuhusu mabadiliko ya wiani tu kwa suala la kawaida, ambalo linaingiliana na mionzi. Suala la giza, kama jina lake linaonyesha, haliingiliani na photons wakati wote. Jambo la giza lingeweza kuwa na tofauti kubwa zaidi katika wiani na kuweza kuja pamoja ili kuunda “mitego” ya mvuto ambayo ingeweza kisha kuanza kuvutia jambo la kawaida mara baada ya ulimwengu kuwa wazi. Kama jambo la kawaida lilizidi kujilimbikizia, lingeweza kugeuka kuwa galaxi haraka kutokana na mitego hii ya giza.

Kwa mfano, fikiria boulevard na taa za trafiki kila maili nusu au hivyo. Tuseme wewe ni sehemu ya msafara wa magari akiongozana na polisi ambao kuongoza wewe nyuma ya kila mwanga, hata kama ni nyekundu. Kwa hiyo, pia, wakati ulimwengu wa mwanzo ulikuwa opaque, mionzi iliingiliana na suala la kawaida, ikitoa nishati na kuichukua pamoja, ikitokeza nyuma ya viwango vya jambo la giza. Sasa tuseme polisi kuondoka msafara, ambayo kisha kukutana na baadhi ya taa nyekundu. Taa hufanya kama mitego ya trafiki; magari yanayokaribia sasa yanapaswa kuacha, na hivyo hukusanya. Vivyo hivyo, baada ya ulimwengu wa mwanzo kuwa wazi, jambo la kawaida liliingiliana na mionzi mara kwa mara tu na hivyo inaweza kuanguka katika mitego ya jambo la giza.

Ulimwengu kwa kifupi

Katika sehemu zilizopita za sura hii, tulifuatilia mageuzi ya ulimwengu kuendelea zaidi kwa wakati. Ugunduzi wa astronomia umefuata njia hii kihistoria, kwani vyombo vipya na mbinu mpya zimetuwezesha kuchunguza milele karibu na mwanzo wa wakati. Kiwango cha upanuzi wa ulimwengu kiliamua kutoka kwa vipimo vya galaxi zilizo karibu. Maamuzi ya wingi wa deuteriamu, heliamu, na lithiamu kulingana na nyota zilizo karibu na galaxi zilitumika kuweka mipaka juu ya kiasi gani cha kawaida kilicho katika ulimwengu. Mwendo wa nyota katika galaxi na wa galaxi ndani ya makundi ya galaxi ungeweza kuelezewa tu kama kulikuwa na wingi wa jambo la giza. Vipimo vya supernovae vilivyopuka wakati ulimwengu ulikuwa karibu nusu ya zamani kama ilivyoonyeshwa sasa kuwa kiwango cha upanuzi wa ulimwengu kimepanda kasi tangu milipuko hiyo ilitokea. Uchunguzi wa galaxi zenye kukata tamaa zinaonyesha kwamba galaxi zilianza kuunda wakati ulimwengu ulikuwa na umri wa miaka milioni 400—500 tu. Na uchunguzi wa CMB ulithibitisha nadharia za mwanzo kwamba ulimwengu ulikuwa wa joto sana.

Lakini yote haya kusonga zaidi na zaidi nyuma kwa wakati inaweza kuwa kushoto wewe kidogo kizunguzungu. Basi sasa hebu tuonyeshe jinsi ulimwengu unavyobadilika kadiri muda unavyoendelea mbele.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\) muhtasari historia nzima ya ulimwengu unaoonekana tangu mwanzo katika mchoro mmoja. Ulimwengu ulikuwa moto sana wakati ulianza kupanua. Tuna mabaki ya kisukuku ya ulimwengu wa mapema sana katika mfumo wa neutroni, protoni, elektroni, na nyutrino, na viini atomia vilivyoumbwa wakati ulimwengu ulipokuwa na umri wa dakika 3—4: deuterium, heliamu, na kiasi kidogo cha lithiamu. Suala la giza pia linabakia, lakini hatujui ni aina gani.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\) Historia ya Ulimwengu. Picha hii inafupisha mabadiliko yaliyotokea katika ulimwengu wakati wa miaka bilioni 13.8 iliyopita. Protoni, deuterium, heliamu, na lithiamu nyingine zilizalishwa katika fireball ya awali. Karibu miaka 380,000 baada ya Big Bang, ulimwengu ulikuwa wazi kwa mionzi ya umeme kwa mara ya kwanza. COBE, WMAP, Planck, na vyombo vingine vimetumika kujifunza mionzi iliyotolewa wakati huo na ambayo bado inaonekana leo (CMB). Ulimwengu huo ulikuwa giza (isipokuwa kwa mionzi hii ya asili) hadi nyota za kwanza na galaksi zilianza kuunda miaka milioni mia chache tu baada ya Big Bang. Nafasi zilizopo na darubini za ardhi zimefanya maendeleo makubwa katika kusoma mageuzi ya galaxi inayofuata.

Ulimwengu ulipozwa hatua kwa hatua; wakati ulikuwa na umri wa miaka 380,000, na kwenye joto la karibu 3000 K, elektroni ziliunganishwa na protoni kuunda atomi za hidrojeni. Katika hatua hii, kama tulivyoona, ulimwengu ukawa wazi kwa mwanga, na wanaastronomia wamegundua CMB iliyotolewa kwa wakati huu. Ulimwengu bado haukuwa na nyota wala galaxi, na hivyo ikaingia kile wanaastronomia wanaiita “zama za giza” (kwani nyota hazikuangazia giza). Katika kipindi cha miaka milioni mia kadhaa iliyofuata, mabadiliko madogo katika wiani wa jambo la giza yalikua, kutengeneza mitego ya mvuto iliyojilimbikizia jambo la kawaida, ambalo lilianza kuunda galaxi takriban miaka milioni 400—500 baada ya Big Bang.

Wakati ulimwengu ulipokuwa na umri wa miaka bilioni moja, ulikuwa umeingia katika mwamko wake mwenyewe: ulikuwa umewaka tena na mionzi, lakini wakati huu kutoka kwa nyota mpya, makundi ya nyota, na galaxi ndogo. Katika kipindi cha miaka bilioni kadhaa ijayo, galaxi ndogo zilijiunga ili kuunda magimba tunayoyaona leo. Makundi na makundi makubwa ya galaxi yalianza kukua, na hatimaye ulimwengu ulianza kufanana na kile tunachokiona karibu.

Katika kipindi cha miaka 20 ijayo, wanaastronomia wanapanga kujenga darubini mpya kubwa katika anga na ardhini ili kuchunguza hata zaidi kwa wakati. Mwaka wa 2021, darubini ya nafasi ya James Webb, darubini ya mita 6.5 ambayo ni mrithi wa darubini ya Hubble Space, itazinduliwa na kukusanyika angani. Utabiri ni kwamba kwa chombo hiki chenye nguvu (angalia Mchoro 29.1) tunapaswa kuwa na uwezo wa kuangalia nyuma mbali kutosha kuchambua kwa undani malezi ya galaxi za kwanza.

Dhana muhimu na Muhtasari

Asilimia ishirini na saba ya wiani muhimu wa ulimwengu hujumuisha jambo la giza. Ili kuelezea jambo la giza sana, baadhi ya nadharia za fizikia zinatabiri kuwa aina za ziada za chembe zinapaswa kuwepo. Aina moja imepewa jina la WIMPs (dhaifu kuingiliana chembe kubwa), na wanasayansi sasa wanafanya majaribio ya kujaribu kuchunguza katika maabara. Jambo la giza lina jukumu muhimu katika kutengeneza galaxi. Kwa kuwa, kwa ufafanuzi, chembe hizi huingiliana tu dhaifu sana (kama wakati wote) na mionzi, wangeweza kukusanyika ilhali ulimwengu ulikuwa bado moto sana na kujazwa na mionzi. Wangeweza hivyo kuunda mitego ya mvuto ambayo ilivutia haraka na kujilimbikizia jambo la kawaida baada ya ulimwengu kuwa wazi, na jambo na mionzi zikatengana. Mkusanyiko huu wa haraka wa mambo uliwezesha galaksi kuunda kwa wakati ulimwengu ulikuwa na umri wa miaka milioni 400—500 tu.

faharasa

jambo la giza

nyenzo zisizo za mwanga, ambazo asili hatujafahamu bado, lakini uwepo ambao unaweza kuhitimishwa kwa sababu ya ushawishi wake wa mvuto juu ya suala luminous

kuingiliana dhaifu chembe kubwa

(WIMPs) dhaifu kuingiliana chembe kubwa ni mmoja wa wagombea kwa ajili ya muundo wa suala giza