Gambaran Umum Materi Gelap

Field Quantum, Gravity, dan bukti untuk partikel non-baryonic

Salah satu proyek tertua dalam sains melibatkan pembangunan ontologi mendasar. Ilmuwan bertujuan untuk membuat model dunia yang komprehensif, di mana tidak ada fenomena yang tidak dapat dijelaskan. Model-model baru dianggap berhasil jika mereka terus meningkatkan domain pemahaman kita. Fisika sekali lagi mencapai titik di mana teori kita saat ini membutuhkan artikulasi ulang. Kelas pengamatan astronomi tertentu terus menghindari penjelasan, yaitu, bahwa potensi gravitasi yang kuat ada di daerah tanpa materi yang terlihat. Makalah ini akan difokuskan pada pengantar bukti utama yang mendukung klaim ini. Namun, saya ingin memulai dengan menguraikan secara singkat kekuatan penjelas teori kita saat ini.

Partikel dan Bidang

Teori Quantum Field adalah beberapa model alam semesta yang paling sukses hingga saat ini. Seperti namanya, alam semesta digambarkan sebagai sistem dinamik bidang kuantum. Masing-masing bidang ini sesuai dengan partikel fundamental dari Model Standar. Ketika sebuah partikel terlokalisasi, ia dilihat sebagai mode vibrasi tereksitasi dari medan yang mendasarinya. Teori medan kuantum pertama berkaitan dengan gaya elektromagnetik, yang dikenal sebagai QED. Dari sana, teori medan yang koheren dikembangkan untuk partikel lain dalam Model Standar. Bagan di bawah ini adalah salah satu pencapaian puncak fisika, daftar tujuh belas kelas partikel yang menjelaskan hampir setiap interaksi yang diketahui di alam semesta.

Salah satu parameter kunci yang digunakan untuk membedakan kelas-kelas partikel ini adalah momentum sudut intrinsik, yang disebut spin. Partikel dengan spin setengah bilangan bulat dikenal sebagai fermion, sedangkan partikel bilangan bulat bilangan bulat adalah boson. Kekuatan yang kuat, lemah dan elektromagnetik semua digambarkan sebagai interaksi antara fermion, yang dimediasi oleh pertukaran boson pengukur. Gravitasi belum disatukan dengan skema ini, dan paling baik dideskripsikan oleh persamaan medan Relativitas Umum Einstein. Gravitasi adalah kelengkungan dinamis ruang-waktu, diubah oleh kepadatan energi daerah, dan dihitung menggunakan tensor metrik. Konsekuensi yang tidak intuitif dari formulasi ini adalah pelensaan gravitasi. Saat melakukan pengamatan astronomi, foton dari objek yang jauh harus menempuh jarak yang jauh untuk mencapai kita. Jika daerah yang mereka lewati terdistorsi oleh kehadiran sejumlah besar energi massa, maka lintasan foton menjadi bengkok. Ini mengarah ke gambar optik yang sangat terdistorsi, dan dapat menawarkan kepada kita bukti penting tentang seberapa penting foton ini melewati perjalanannya ke Bumi. Lensing bervariasi dalam kekuatan, dari gambar dramatis dari objek langit yang sama muncul beberapa kali, hingga sedikit, namun konsisten dengan penyelarasan objek secara sistematis yang seharusnya tidak berkorelasi.

Kelas partikel penting untuk diskusi kita yang akan datang adalah baryon. Ini termasuk partikel-partikel yang sudah dikenal seperti proton dan neutron, dan dicirikan oleh komposisi yang terdiri dari tiga quark. Ketika kita biasanya merujuk pada substansi alam semesta, yang kita maksudkan adalah materi baryonic. Seluruh tabel periodik, dan cabang kimia, dikhususkan untuk berbagai konfigurasi bentuk materi ini. Namun, semakin masuk akal bahwa mayoritas kerapatan materi di alam semesta adalah non-baryonic. Pernyataan ini sangat dikuatkan oleh potensi gravitasi yang sangat kuat yang diamati di ruang angkasa, dan kita mungkin akan segera dipaksa untuk melampaui Model Standar. Sekarang saya akan memberikan ikhtisar bukti untuk klaim ini dalam urutan skala: mulai dari tingkat galaksi, pindah ke kelompok, dan kemudian memeriksa bagaimana anomali ini berlanjut pada tingkat alam semesta pada umumnya.

Kurva Rotasi Galaksi

Spektroskopi

Kemampuan para astronom untuk menentukan komposisi kimia dari objek-objek bintang jauh sebagian besar disebabkan oleh teknik yang dikenal sebagai spektroskopi - yang merupakan metode mempelajari interaksi antara materi dan radiasi elektromagnetik. Ketika gas tereksitasi, transisi elektron antara cangkang orbital yang berbeda, memancarkan energi dalam bentuk foton. Tingkat energi yang berbeda dari gas-gas umum, seperti hidrogen dan helium diketahui dan dikuantisasi. Ini berarti bahwa spektrum foton yang terlihat dipancarkan oleh gas tertentu memberikan pola yang berbeda dan dapat dikenali. Dengan pengetahuan ini, melihat ke arah bintang-bintang dan planet-planet, kita harus dapat menentukan komposisi mereka berdasarkan pola cahaya tampak yang dilepaskan. Namun, diamati bahwa seluruh spektrum emisi nebula jauh di-redshift. Penjelasan terbaik untuk kejadian ini dikemukakan oleh Edwin Hubble, yang menentukan bahwa alam semesta mengembang. Tingkat ekspansi ini ditangkap oleh parameter Hubble. Spektroskopi, ditambah dengan pengamatan Hubble adalah salah satu metode utama untuk menentukan komposisi benda langit.

Perilaku Non-Keplerian

Dalam banyak jenis galaksi, benda yang mengorbit cenderung terletak di cakram tipis, dan bergerak dalam lintasan melingkar di sekitar pusat galaksi. Mengukur kecepatan orbital benda-benda ini sebagai fungsi jarak dari pusat memberi kita kurva rotasi galaksi. Saat Anda bergerak menjauh dari pusat galaksi, orang akan mengharapkan untuk melihat keplerian jatuh. Kecepatan orbital awalnya harus naik, dan kemudian jatuh dengan mantap saat jari-jari semakin besar. Mengingat hubungan ini, tampaknya lurus ke depan untuk mengasumsikan bahwa Anda dapat memperoleh distribusi massa galaksi dari kurva rotasi. Sampai tahun 1970-an, teknologi optik terbatas, dan hanya cakram galaksi dalam galaksi terdekat yang mengukur kurva. Untuk titik di luar jari-jari yang diukur, perilaku Keplerian hanya diekstrapolasi. Dalam disertasi 1939 Horace Babcock, ia membuat kurva rotasi untuk galaksi M31 hingga 20kpc. Dia memperhatikan kecepatan orbital tinggi yang abnormal pada jari-jari besar, yang berarti rasio massa-terhadap-cahaya yang tinggi dihitung untuk daerah yang jauh dari M31. Vera Rubin dan Kevin Ford menerbitkan pengukuran yang disempurnakan dari kurva rotasi M31 pada tahun 1978, memperoleh bukti konkret pertama bahwa ada kekuatan yang tidak terlihat yang menyebabkan kurva rotasi mendatar. Akhirnya, Albert Bosma mengukur kurva rotasi dua puluh lima galaksi, yang semuanya jelas tidak menunjukkan kecepatan penurunan. Untuk meringkas masalah: mengingat jumlah benda langit yang terlihat berkontribusi pada potensi gravitasi galaksi, bintang-bintang luar bergerak terlalu cepat. Medan gravitasi dari cakram saja terlalu lemah untuk memberikan akselerasi yang diperlukan untuk bintang-bintang luar. Pada titik ini, banyak percobaan independen telah menguatkan fakta bahwa prediksi Kepler tidak lagi valid. Dengan demikian, masalah tampaknya tidak terletak pada ketelitian eksperimental.

Gugusan Galaxy

Cluster Koma dan Cluster Virgo

Pada tahun 1933, ketika Fritz Zwicky merilis sebuah makalah berjudul The Redshift of Extragalactic Nebulae. Saat melakukan pengamatan pada Koma Cluster, ia mencatat dispersi kecepatan radial yang sangat besar di antara delapan galaksi penyusunnya. Dispersi sekitar 1000km / s - sangat tinggi sehingga menjadi penasaran bagaimana cluster yang tampaknya stabil ini tetap terikat secara gravitasi. Sementara dispersi ini sebelumnya telah dicatat oleh Edwin Hubble dan Milton Humason pada tahun 1931, Zwicky melangkah lebih jauh dan menerapkan Teorema Virial untuk memperoleh perkiraan energi kinetik dari sistem. Menggunakan perkiraan untuk jumlah galaksi yang diamati, massa galaksi, kepadatan materi, distribusi, dan ukuran cluster - Zwicky menemukan bahwa dispersi kecepatan Cluster Coma yang stabil secara mekanis harus sekitar 80 km / dt. Alur penalaran ini mencakup semua materi yang terlihat oleh sistem - jadi ia menyukai gagasan bahwa mungkin sejumlah besar materi non-cahaya mungkin bertanggung jawab. Dia menyimpulkan dengan menyatakan bahwa ini tetap merupakan masalah yang belum terpecahkan.

Pada 1936, dinamika Virgo Cluster sedang dipelajari oleh Sinclair Smith. Mengikuti serangkaian langkah logis yang serupa dengan Zwicky, ia menentukan bahwa massa rata-rata galaksi di Virgo adalah dua urutan besarnya lebih tinggi dari perkiraan Hubble. Massa galaksi sering diberikan dalam satuan massa matahari, yang menghubungkannya dengan massa matahari kita. Ini memungkinkan konversi yang mudah menjadi rasio massa matahari dengan luminositas matahari yang dikenal sebagai rasio massa-ke-cahaya (Matahari kita sama dengan satu). Ini penting, karena kita umumnya menganggap matahari sebagai bintang standar, dan karena itu rasio massa terhadap cahaya harus mewakili bintang pada umumnya. Namun, baik Zwicky dan Smith mendapatkan rasio luar biasa tinggi - dengan perhitungan asli Zwicky memberikan rasio massa-ke-cahaya sekitar 500. Bahkan setelah disesuaikan dengan benar untuk massa galaksi dan nilai parameter Hubble yang lebih akurat, kedua pengukuran masih menunjuk ke masalah besar yang belum terpecahkan. Namun, komunitas pada umumnya masih tidak dapat menentukan apakah salah satu klaster stabil, yang akan membatalkan penggunaan Zwicky dari Teorema Virial. Tidak sampai bertahun-tahun kemudian pengukuran ini dilakukan dengan presisi yang memadai, mengonfirmasi pengamatan anomali dari Smith dan Zwicky.

Cluster Peluru

Pada tahun 2004, tabrakan dua cluster galaksi diamati. Dinamika tabrakan klaster yang biasa terjadi, dan tampaknya sebagian besar massa galaksi berbentuk sinar-X. Sinar-X ini berinteraksi secara elektromagnetik dan tetap berada di tengah-tengah lokasi tabrakan. Namun, dengan mengamati pelensaan gravitasi yang lemah dari objek latar belakang, ditentukan bahwa sebagian besar massa Cluster Peluru yang saat itu bernama sebenarnya terkonsentrasi di daerah di luar sinar-X tumbukan. Di antara pengukuran ini, perilaku aneh dari kluster dan kurva rotasi non-Kepler, tidak diragukan lagi bahwa ontologi dasar kita tidak lengkap. Sekarang saya akan memeriksa bagaimana anomali ini muncul dalam skala besar, dan mulai bergeser ke arah penjelasan yang mungkin.

Kendala Kelimpahan Kosmologis

Banyak garis bukti konvergen telah diperhitungkan ketika membangun kisah asal kosmik kita. Dengan menggunakan fisika kita yang diketahui, dan bekerja mundur, kita dapat memperoleh gambaran yang konsisten tentang alam semesta awal. Sebagai contoh, pengamatan bahwa alam semesta saat ini berkembang membuat kita percaya secara alami bahwa jika kita melangkah cukup jauh ke belakang, semuanya pada akhirnya akan berada di tempat yang sama pada waktu yang sama, yang dikenal sebagai singularitas. Dalam nada yang sama, ketika alam semesta menjadi lebih dingin, dapat diasumsikan bahwa sejak awal itu jauh lebih padat dan lebih panas.

Nukleosintesis Big Bang

Rangkaian pengamatan berikutnya yang ingin saya sampaikan adalah kendala yang ditempatkan pada jumlah materi baryonic di alam semesta. Sebelum pengukuran yang tepat dari anisotropi latar belakang gelombang mikro, nukleosintesis big bang (BBN) adalah cara utama untuk membatasi kepadatan baryon. Menggunakan metode spektroskopi, para astronom menemukan banyak nukleotida ringan seperti deuterium, He3, He4 dan Li7 ​​di kosmos. Temuan ini bertentangan dengan model nukleosintesis bintang dan supernova saat ini, mengingat bahwa banyak dari unsur-unsur ini tidak dibuat di dalam bintang, tetapi sebenarnya digunakan oleh mereka sebagai bahan bakar. Segera ditentukan bahwa sekitar 25% dari kepadatan materi baryonic dari alam semesta adalah helium - dan tidak ada kerangka kerja teoritis untuk mendukung pengamatan ini. Karya Alpher, Bethe & Gamow pada tahun 1948 menjelaskan bentuk nukleosintesis primordial. Mereka berpendapat bahwa bentuk alam semesta awal penangkapan neutron membantu menjelaskan kelimpahan elemen cahaya. Ini juga memberi kepercayaan pada pandangan big bang tentang alam semesta - yang melaporkan bahwa alam semesta awal itu panas, padat, dan di bawah tekanan besar saat masih bayi. Selama periode awal ini, sebuah zaman yang dikenal sebagai baryogensis terjadi, di mana proton dan neutron mulai terbentuk - dan asimetri antara materi dan antimateri berkembang. Ketika alam semesta terus mengembang dan mendingin, pada sekitar 10 ^ 9K, banyak isotop hidrogen dan helium mulai terbentuk (karena masih terlalu panas untuk elektron untuk ditangkap oleh nuklei). Karena pengamatan bintang membatasi jumlah elemen cahaya, dan karena ini terbentuk dari baryon awal - kepadatan baryon awal perlu menjadi parameter yang disesuaikan dengan hati-hati. Pada 1990-an Scott Burles dan David Tytler merilis pengukuran kelimpahan deuterium presisi tinggi. Ini membatasi kelimpahan baronik hingga 2 +/- 0,2% dari kepadatan kritis untuk menutup alam semesta.

Puncak Baryonic Akustik

Bukti penting untuk teori big bang yang panas dan padat diberikan ketika Penzias dan Wilson pertama kali mengukur latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB) pada tahun 1965. CMB berisi foton gelombang mikro dari alam semesta yang sangat awal. Setelah periode BBN, dan ketika alam semesta telah cukup dingin, zaman rekombinasi terjadi. Sebelum saat ini, alam semesta awal adalah lanskap plasma baryon-foton, berosilasi di dalam sumur potensial gravitasi. Foton awal diciptakan dalam periode evolusi kosmik di mana elektron dan positron dimusnahkan dengan frekuensi sedemikian rupa, sehingga foton lebih banyak daripada baron satu miliar banding satu. Campuran primordial dari baryon, foton dan elektron adalah buram, karena foton tidak dapat melakukan perjalanan sangat jauh tanpa Thompson berhamburan dari elektron. Ketika alam semesta terus mendingin, elektron tiba-tiba ditangkap oleh inti awal, memungkinkan aliran foton tanpa hambatan melalui alam semesta. CMB adalah potret dari foto-foto ini beberapa saat setelah rekombinasi. Awalnya terlihat bahwa intensitasnya seragam, dan ini mendukung pandangan bahwa alam semesta homogen dan isotropik pada umumnya. Itu tidak sampai Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) bahwa anisotropi suhu kecil terdeteksi. Dari fluktuasi suhu berskala kecil ini, para ilmuwan menambahkan lebih banyak bukti pada teori big bang mereka. Inhomogenitas spasial skala kecil awal pada rekombinasi menjadi. Pengamatan ini tercermin dalam spektrum daya sudut CMB.

http://background.uchicago.edu/~whu/intermediate/intermediate.html

Puncak pertama dalam grafik ini adalah yang pertama diukur dan dilokalkan dengan tepat. Penemuannya membantu menghilangkan banyak cerita asal kosmologis alternatif. Narasi yang tersisa adalah gambar alam semesta awal yang dipenuhi dengan baryon-photon plasma yang berosilasi secara asimetris. Plasma sedang dikompresi oleh gravitasi, dan dipaksa ke luar karena tekanan foton radiatif internal. Puncak pertama merupakan contoh kompresi gravitasi - dan gelombang tekanan sonik ini merambat ke seluruh alam semesta. Tekanan foton luar, kekuatan kompresi, dan rasio ketinggian puncak dalam grafik di atas semuanya sangat bergantung pada kepadatan baryon. Pengukuran puncak kedua dan ketiga membantu sangat membatasi kepadatan baryon dan pengukuran 2015 baru-baru ini dari Planck Collaboration telah menempatkan kendala lebih lanjut pada materi baryon, memperoleh pengukuran kepadatan sangat tepat: 0,048 +/- 0,0005 penutupan. Jika seseorang menganut gagasan awal materi gelap yang berkontribusi pada potensi gravitasi kluster, maka pembatasan baru ini membuka kemungkinan bahwa massa gelap bisa non-baryonik.

Struktur Skala Besar

Alam semesta memiliki berbagai macam struktur: dari superkluster, filamen, lembaran galaksi hingga Tembok Besar dan Penarik Hebat. Struktur berskala besar ini terbentuk, sebagian, karena gangguan pada kepadatan alam semesta yang sangat awal. Fluktuasi vakum kuantum kecil pada saat-saat sebelum big bang diperluas selama inflasi dan dibekukan sebagai fluktuasi klasik skala besar. Ini memberikan struktur gravitasi yang mendasari yang menarik materi baryonic. Namun, sebelum zaman rekombinasi, struktur tidak dapat terbentuk, karena alam semesta masih terlalu panas dan padat untuk menangkap elektron terjadi. Mengingat pengetahuan kita saat ini tentang usia alam semesta - tampaknya banyak dari struktur besar tidak akan memiliki waktu untuk terjadi jika mereka hanya bisa mulai terbentuk setelah rekombinasi.

Kesimpulan untuk Penjelasan Terbaik

Pengamatan yang diuraikan sejauh ini memiliki beberapa kesamaan yang mencolok. Pada tingkat yang paling abstrak, mereka menunjuk pada kehancuran hukum fisika pada kedua skala besar jarak, dan ketika akan jauh ke masa lalu. Konsepsi gravitasi kita berhenti bekerja ketika kita menerapkannya pada galaksi, kluster dan dinamika alam semesta awal. Entah formulasi gravitasi kita harus berubah, atau ada sesuatu yang tidak bisa kita lihat berkontribusi pada massa kosmos. Sebelum pindah ke kemungkinan penjelasan, saya ingin meringkas secara singkat pengamatan anomali sejauh ini:

· Galaksi dalam cluster bergerak terlalu cepat untuk tetap terikat secara gravitasi

· Kurva rotasi galaksi tidak menunjukkan penurunan kecepatan - galaksi yang jauh dari pusat galaksi bergerak terlalu cepat

· Struktur alam semesta berskala besar tidak akan memiliki cukup waktu untuk terbentuk mengingat kendala kelimpahan kita pada materi baryonic, dan gambaran kosmologis kita saat ini diperoleh dari data CMB

Singkatnya: kita melihat efek gravitasi di mana materi normal tidak ada

MACHO

Solusi paling alami untuk masalah hilangnya massa galaksi adalah bahwa ada objek luminositas rendah yang berkontribusi pada medan gravitasi galaksi dan kluster. Benda-benda astrofisika ini masih baryonic dan berpasangan dengan foton, namun memberikan sedikit cahaya sehingga perangkat optik kita tidak cukup kuat untuk mengambil sinyal mereka. Garis pemikiran ini tidak memaksa kita untuk meninggalkan model kita saat ini, dan juga terbantu oleh kenyataan bahwa sebagian besar baryon alam semesta gelap dan tidak diketahui penyebabnya. Banyak perhatian dialihkan ke objek luminositas rendah kompak, dikenal bahasa sehari-hari sebagai MACHO (benda halo kompak astrofisika besar). Ini termasuk: planet, katai coklat, katai merah, bintang neutron dan lubang hitam. Sebuah teori gas intracluster secara singkat dihibur, tetapi ditunjukkan pada tahun 1971 bahwa gas semacam itu hanya akan menyumbang jumlah massa yang dapat diabaikan. Salah satu kasus utama terhadap MACHO adalah bahwa mereka tidak mungkin memberikan massa yang cukup untuk menjelaskan anomali gravitasi yang diamati karena kendala kelimpahan baronik. Ringkas semua materi baryonik yang dapat kita lihat, dan mengingat kendala, hampir tidak ada baryon sisa yang cukup untuk membentuk jumlah materi yang signifikan. Cahaya tertumpah pada masalah baryon gelap ketika NASA Chandra X-ray Observatory baru-baru ini menemukan bahwa banyak dari mereka tinggal di jaring gas difusi panas. Penemuan Media Intergalaksi Hangat-Panas (WHIM) memberikan bukti signifikan bahwa MACHO tidak menyelesaikan masalah massa yang hilang.

MOND

Pada tahun 1982, Mordehai Milgrom mengusulkan bahwa tidak ada massa yang hilang di galaksi, sebaliknya, dinamika Newton memecah di bawah nilai percepatan tertentu. Pada jari-jari besar dari pusat galaksi, akselerasi dari gravitasi begitu kecil sehingga kita memasuki rezim baru di mana hukum Kedua Newton diubah dari F = ma ke F = (ma ^ 2) / a0. Modified Newtonian Dynamics (MOND) dinamai demikian mengusulkan konstanta fundamental baru: a0 = ∼ 1,2 × 10-10 m / (s ^ 2), nilai kritis percepatan yang, jika a << a0, menandakan kerusakan normal mekanika selestial. Ini membuka seluruh kelas teori yang tampaknya menjelaskan kurva rotasi tanpa mendalilkan keberadaan materi yang tak terlihat. Iterasi saat ini dari teori ini dikenal sebagai TeVes (tensor-vector-scalar gravity) - versi relativistik dari MOND. Kurva rotasi datar dijelaskan oleh teori ini namun dinamika kluster dan khususnya pelensaan gravitasi yang terjadi di Bullet Cluster tetap tidak diperhitungkan. Selain itu, puncak ke-3 dalam spektrum daya sudut CMB harus ditekan dan lebih kecil dari yang kedua - namun kami mengamati yang terjadi sebaliknya. Namun, tanpa bukti eksperimental - teori kelas MOND masih tetap ada di meja sebagai penjelasan yang mungkin. MOND, bersama dengan partikel gelap partikulat, juga muncul untuk menyelesaikan anomali gravitasi.

Partikel Gelap Non-Baryonic

Akhirnya, kami sampai pada salah satu penjelasan yang paling menarik. Alasan bahwa potensi gravitasi lebih kuat dari yang diharapkan dari materi yang terlihat adalah karena ada partikel non-baryon yang berkontribusi terhadap kepadatan materi di alam semesta. Partikel seperti itu gelap karena tidak berinteraksi dengan foton, dan juga tidak mengalami gaya elektromagnetik. Bahkan, satu-satunya interaksi yang tampaknya ada dengan Model Standar kami saat ini adalah kemungkinan penggandengan ke Higgs, sehingga memberikan massa. Sampai saat ini, partikel eksotis semacam itu belum terdeteksi, namun itu menyumbang banyak bukti pengamatan yang diuraikan sebelumnya. Jika materi gelap partikulat ada, ia akan terikat secara gravitasi ke galaksi dalam bentuk lingkaran cahaya. Ini akan menjelaskan rasio massa terhadap cahaya yang tinggi yang telah menjangkiti para astronom, serta memperhitungkan potensi gravitasi yang diperlukan untuk mengikat Cluster Koma dan Virgo. Distribusi materi gelap non-baryonic telah dihitung dalam bentuk lingkaran cahaya yang melingkupi galaksi - sering membentang sejauh 100 kpc. Ini akan menjelaskan kecepatan orbital objek yang tinggi di cakram galaksi luar M31 - gaya gravitasi yang hilang sekarang dikaitkan dengan materi gelap di sekitarnya. Tabrakan Bullet Cluster memberikan bukti luar biasa untuk partikel gelap partikulat. Mengingat bahwa partikel tidak berinteraksi secara elektromagnetik, masing-masing lingkaran galaksi masing-masing akan lolos tanpa hambatan melalui yang lain. Keberadaan spesies subatom yang tidak diketahui yang hanya berinteraksi secara gravitasi juga dikuatkan oleh narasi kosmologis kami saat ini. Selama alam semesta awal, baik materi baryonic maupun non-baryonic akan tertarik ke daerah gravitasi tinggi. Namun, materi gelap tidak akan terlibat dalam plasma baryon-foton, dan pada kenyataannya akan memberikan kekuatan tambahan selama kompresi. Ini akan menerjemahkan puncak-puncak aneh dalam spektrum daya kita menjadi lebih dramatis - yang persis seperti yang kita lihat pada puncak pertama dan ketiga kita. Partikel-partikel non-baryonic juga dapat mulai membentuk struktur jauh sebelum zaman rekombinasi, dan ini membantu menjelaskan struktur besar yang kita lihat sekarang. Akhirnya, salah satu kasus terkuat untuk materi gelap non-baryonic adalah kendala kelimpahan yang ditempatkan pada materi baryonic. Menggunakan argumen BBN dan WMAP, tampaknya tidak ada cukup masalah baryonic yang tersisa untuk menjelaskan semua anomali gravitasi yang ada dalam pengamatan kami. Dengan demikian, partikulat non-baryonic partikulat adalah alternatif yang menarik untuk argumen MOND yang disajikan sebelumnya.

Pikiran terakhir

Kami memulai survei ini dengan menjabarkan keadaan saat ini dari teori-teori ilmiah terbaik kami. Sejak awal, jelas bahwa akun koheren dan terpadu dari teori gravitasi dan medan kuantum belum dirumuskan. Masalah kita dengan gravitasi terus bermanifestasi sebagai gangguan teoretis kemudian semakin jelas: gaya gravitasi terus muncul di tempat-tempat di mana materi baryonic tidak ada. Isu-isu lebih lanjut yang berkaitan dengan kosmologi kemudian diangkat, dari lanskap alam semesta awal (sebagaimana ditentukan dari WMAP) dan pembentukan struktur skala besar di alam semesta.

Karena MACHO secara sistematis dibuat tidak masuk akal, teori partikel subatomik non-baryonic menjadi semakin populer. Tidak hanya menyelesaikan semua masalah yang diuraikan dalam makalah ini, tetapi banyak kandidat saat ini sangat meningkatkan ruang lingkup pemahaman kita. Supersimetri memberikan solusi, dengan mengandaikan bahwa mitra super teringan (partikel stabil yang semua partikel rekanan supersimetrik lainnya membusuk) akan berlimpah dan memiliki energi massa yang benar. Alternatif lain adalah solusi untuk masalah CP yang kuat, yang terjadi dalam studi tentang gaya nuklir kuat yang dikenal sebagai Quantum Chromodynamics. Ini menegaskan bahwa meskipun kurangnya bukti pengamatan, simetri charge-parity harus dipatahkan. Simetri yang rusak ini menyiratkan keberadaan boson baru yang disebut Axion. Partikel seperti itu akan menjadi kandidat materi gelap yang ideal, sekali lagi, karena kelimpahan dan rentang massa yang dihitung. Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) adalah kelas partikel yang dimiliki spesies non-baryonik. Seperti namanya, semua kandidat partikel ini memiliki massa dan berinteraksi sangat halus dengan baryon Model Standar. Ini memberikan tantangan unik ketika datang ke upaya deteksi. Setiap pencarian sejauh ini telah terganggu dengan masalah sensitivitas, dan masalah membedakan sinyal dari noise menjadi sangat menonjol. Karena tidak ada kerangka kerja teoritis yang dominan, upaya pendeteksian terjadi dari dalam model masing-masing. Penganut SUSY mencari partikel supersimetrik paling ringan melalui peristiwa hamburan inti langsung. Eksperimen lain mencari modulasi tahunan dalam kelimpahan materi gelap berdasarkan di mana Bumi berada di orbitnya mengelilingi Matahari. Banyak pekerjaan yang masih perlu dilakukan sebelum mencoba akselerator produksi materi gelap atau deteksi tidak langsung melalui jet pemusnahan. Ini adalah saat yang menyenangkan dalam fisika, karena sebuah misteri besar telah muncul dengan sendirinya bagi kita. Sekali lagi alam semesta memaksa kita untuk menilai kembali tingkat pengetahuan kita. Sementara kami yakin bahwa teori-teori kami hancur pada titik tertentu, tidak ada alternatif yang jelas telah muncul. Sampai saat itu, para ilmuwan harus terus mempercayai kesabaran, ketekunan, dan kecerdikan mereka.