¿Cuál es la diferencia entre materia oscura y energía oscura?
En pocas palabras, la materia oscura se comporta más como la materia observable ordinaria, aporta gravedad; la energía oscura es muy diferente a la materia que observamos, aporta repulsión. 1. Materia oscura El descubrimiento de la materia oscura se originó a partir de la medición realizada por Vera Rubin de la curva de rotación de la galaxia de Andrómeda (M31), vecina de la Vía Láctea, alrededor de 1970. Midió la velocidad de rotación de la materia a diferentes radios del centro de la galaxia y obtuvo el siguiente gráfico. La abscisa es la distancia desde el centro de la galaxia y la ordenada es la velocidad de rotación. Sabemos que si se conoce la distribución de masa de una galaxia, la relación entre velocidad y distancia se puede calcular utilizando la ley de Kepler (línea roja). ¿Cómo encontrar la distribución masiva? El principio es calcular una relación luminosidad-masa relativamente confiable midiendo la distribución de la luz y luego adivinando la edad y la tasa de formación estelar de algunas galaxias. Por lo tanto, al calcular la distribución de masa, primero asumimos que todas las sustancias emitirán luz en una determinada proporción. Mucha gente dice que si las cosas que no emiten luz son materia oscura, entonces los planetas como la Tierra que no emiten luz sino que sólo la reflejan también son materia oscura. De hecho, la proporción de estos materiales con respecto a las estrellas es muy pequeña y básicamente se tienen en cuenta en cálculos específicos. Sin embargo, los resultados de las mediciones (línea blanca) son sorprendentes. La velocidad de órbita en los confines de la galaxia es mucho más rápida de lo calculado. Esto muestra que hay mucha masa en la galaxia que es invisible, porque V∝(GM/r)1/2, se necesita más masa para soportar una velocidad tan grande. Por supuesto, puedes explicarlo con otras razones. Los astrónomos no son tontos después del descubrimiento, todos propusieron inmediatamente muchas explicaciones. Por ejemplo, el material exterior no puede formar estrellas de manera efectiva por algunas razones, por lo que no emite luz o simplemente dicen que su medición es incorrecta, tal vez algunas. Se detectó materia de fondo que no pertenece a esta galaxia. Sin embargo, los resultados se volvieron cada vez más "anormales" después, y finalmente se la denominó "materia oscura". Se descubrió que las propiedades físicas de estas sustancias no luminosas eran demasiado diferentes de las de las sustancias normales que podían emitir luz.
Ahora medir la materia oscura no requiere el "tonto" método de las curvas de rotación de galaxias. Una mejor manera es a través de lentes gravitacionales, porque la luz se desvía al atravesar objetos masivos (imagen a continuación). Por lo tanto, si hay una fuente de luz detrás de un cuerpo celeste masivo, se verá así: el legendario anillo de Einstein está estrechamente relacionado con el estado del campo gravitacional en primer plano y, a veces, se verá como en la imagen de abajo. Los astrónomos pueden determinar la distribución de masa de las galaxias en primer plano observando cuidadosamente en qué parte de la imagen hay galaxias en el fondo dobladas por lentes gravitacionales. A través de observaciones similares, la gente ha descubierto muchos ejemplos famosos como el siguiente, Bullet Cluster: el azul representa la distribución de la materia oscura y el rojo es la distribución del gas en los cúmulos de galaxias observados a través de rayos X. Se puede encontrar que este cúmulo de galaxias es en realidad el producto de la fusión de dos cúmulos de galaxias. Debido a la interacción durante el proceso de fusión, los gases se deforman completamente después de atravesarse unos a otros. La materia oscura no luminosa se comporta de forma completamente diferente. Las dos masas de materia siguen siendo muy distintas y no se modifica su forma tras la colisión. Se puede encontrar que la interacción entre la materia oscura es mucho más débil que la de la materia normal.
En la actualidad se cree generalmente que la interacción entre partículas de materia oscura o entre materia oscura y materia normal es muy débil. Además de las interacciones gravitacionales, sólo pueden ocurrir interacciones débiles. Al mismo tiempo, según la posible velocidad de movimiento de las partículas de materia oscura, las personas clasifican las partículas de materia oscura en materia oscura caliente (HDM, partículas que se mueven a una velocidad cercana a la de la luz), materia oscura fría (CDM, partículas que se mueven a una velocidad cercana a la de la luz), materia oscura fría (CDM, partículas que se mueven a una velocidad cercana a la de la luz). una velocidad mucho más lenta que la velocidad de la luz) y materia oscura cálida (WDM, centro de velocidad). A través de simulaciones por computadora, los astrónomos ahora creen que el componente principal de la materia oscura en el universo debería ser materia oscura fría. Sin embargo, el modelo de materia oscura fría también presenta algunos problemas. Por ejemplo, la materia oscura fría predice muchas más galaxias compañeras de la Vía Láctea de las que se conocen actualmente. La materia oscura también ha atraído a muchos físicos de partículas. Por ejemplo, el premio Nobel chino de física Ting Zhaozhong colocó un instrumento experimental (espectrómetro magnético alfa) en la Estación Espacial Internacional para detectar directamente partículas de materia oscura.
La gente también sabe que la materia oscura representa mucha más masa en el universo que la materia normal. Los eventos relacionados con las interacciones gravitacionales a escala cósmica están dominados por la materia oscura, incluida la formación y fusión de galaxias.
En definitiva, actualmente la gente sabe mucho sobre las propiedades de la materia oscura, y también existen algunas candidatas a partículas de materia oscura. Personalmente, creo que es sólo cuestión de tiempo que se detecten directamente partículas de materia oscura y se confirme su composición física. 2. Energía oscura En comparación con la materia oscura, la gente sabe muy poco sobre la energía oscura.
La energía oscura está muy relacionada con el Premio Nobel de Física de 2011. Su descubrimiento se debió principalmente al hecho de que la expansión del universo se está acelerando, descubierta por Adam Riess en 1998 utilizando supernovas. (Nota: El Premio Nobel fue otorgado a Adam Riess, Brian Schmidt y Saul Perlmutter. Sin embargo, por razones históricas, Adam Riess y Saul Perlmutter existe cierta controversia sobre quién lo descubrió primero).
A grandes rasgos, un universo más distante significa un universo más antiguo, porque la luz necesita tiempo para propagarse. Al mismo tiempo, el universo distante se está alejando más rápido de nosotros (tiene un corrimiento al rojo mayor) porque el universo se está expandiendo. Esto se puede expresar mediante la famosa ley de Hubble: v = H0D. La siguiente imagen es del artículo publicado por Hubble. La ordenada es la velocidad, la abscisa es la distancia y cada punto representa una galaxia. Está claro que esta tasa de expansión cambiará debido a la interacción de la materia en el universo. Por lo tanto, cuando medimos más lejos, encontraremos que la ley de Hubble ya no es una simple relación lineal. Y quedó como en la imagen de abajo. El eje horizontal es el desplazamiento al rojo (directamente relacionado con la velocidad) y el eje vertical es el brillo equivalente (directamente relacionado con la distancia). Las líneas discontinuas azules y las realizaciones negras son varios modelos de universos. Los detalles no son importantes. Lo sorprendente es que la tercera línea azul de arriba a abajo es la más fácil de predecir para la gente. Es decir, toda la materia del universo contribuye a la gravedad, por lo que el universo se está desacelerando y expandiendo. Sin embargo, los puntos de datos medidos a partir de supernovas de tipo Ia no respaldan tal universo. Los datos de medición favorecen una expansión acelerada del universo. En otras palabras, lo que domina el universo no es la fuerza gravitacional entre la materia, sino una inexplicable presión hacia el exterior. La fuente de esta presión se llama energía oscura.
Por supuesto, los astrónomos no son estúpidos. Mucha gente ha propuesto muchas posibilidades para explicar este fenómeno sin introducir el concepto de energía oscura. Por ejemplo, medir la distancia desde una supernova de Tipo Ia depende de una de sus propiedades. Es decir, el brillo de una supernova de Tipo Ia se atenuará gradualmente después de que explote. La velocidad a la que su brillo disminuye está linealmente relacionada con la luminosidad en su brillo máximo (es decir, la energía de toda la luz emitida). Entonces, conociendo las luminosidades de varias supernovas de Tipo Ia, y comparando estos valores con el brillo que vemos, podemos conocer sus distancias. La siguiente figura muestra las curvas de luz de varias supernovas de Tipo Ia. El eje vertical es la luminosidad y el eje horizontal es el tiempo. Se puede ver claramente que cuanto más rápido se atenúan las supernovas de tipo Ia (cuanto mayor es la pendiente), menores son sus luminosidades. En realidad, esta relación lineal se basa en la observación. La gente no sabe exactamente qué causa dicha relación y no sabe si esta propiedad cambiará en el universo distante. Pero más tarde, además de utilizar supernovas de tipo Ia, los humanos también utilizaron métodos como la radiación cósmica de fondo de microondas (CMB) y la oscilación acústica bariónica (BAO) para confirmar de forma independiente la existencia de energía oscura y dieron resultados similares. .
¿Qué propiedades tiene la energía oscura? ¿Está distribuida uniformemente en el espacio? ¿Qué tipo de estructura tiene? De hecho, no está muy claro y es difícil discutir el origen físico de la energía oscura. Actualmente lo único que se puede hacer desde la astronomía es introducir la constante Λ de Einstein y luego determinar cuál es su valor ahora. Einstein utilizó la teoría general de la relatividad para calcular la evolución del universo, pero descubrió que algo andaba mal porque la escala del universo que calculó no podía ser constante, lo que era inconsistente con la visión estática del universo que la gente pensaba en ese momento. , entonces puso una constante en la ecuación Λ, de modo que el universo no se expande ni se contrae. Sin embargo, aunque la escala del universo permaneció sin cambios, la gente pronto descubrió que este equilibrio era inestable. En otras palabras, si el valor de Λ cambia ligeramente, el universo se expandirá o contraerá irreversiblemente. El descubrimiento de la ley de Hubble hizo saber que la introducción de la constante cosmológica fue un error cometido por Einstein.
Pero al mismo tiempo, el descubrimiento de la energía oscura hizo que la gente retomara esta constante y la utilizara para crear un universo que pudiera acelerar la expansión.
El origen físico de la energía oscura parece no estar claro. Sin embargo, todavía es posible discutir sus propiedades específicas, como por ejemplo si Λ es un parámetro adecuado para caracterizar la energía oscura y su distribución espacial. .