Как измеряются изменения плотности материи по мере расширения Вселенной?

Это будет немного расплывчато, так как мои познания в космологии невелики, но поскольку никто не ответил, я напишу то, что знаю.

Вы совершенно правы в том, что мы не можем ждать несколько миллиардов лет, чтобы увидеть, что происходит с темной материей, но мы можем оглянуться назад во времени, наблюдая за далекими галактиками.

Наличие некоего дополнительного гравитационного источника в галактиках было обнаружено Верой Рубин в 1970-х годах . Мы не можем много сказать о том, что представляет собой этот гравитационный источник из прямых наблюдений, хотя мы можем использовать исследования моделирования галактик, чтобы сделать вывод о некоторых его свойствах. Галактики являются гравитационно связанными объектами и не расширяются по мере расширения Вселенной, так что какие бы лишние вещества ни находились в галактиках, они не разбавляются расширением Вселенной.

Присутствие некоего дополнительного гравитационного источника в скоплениях галактик было обнаружено Фрицем Цвикки в 1933 году . Это значительно предшествовало работе Рубина, но я упоминаю об этом вторым, потому что работаю над шкалой размеров. Как и галактики, скопления галактик гравитационно связаны, поэтому они не расширяются вместе со Вселенной, а лишнее гравитационное вещество в них не растворяется.

Так что ни галактики, ни гравитационные скопления не очень полезны, когда дело доходит до понимания поведения лишнего вещества по мере его растворения. Однако, учитывая, что мы знаем, что это вещество существует внутри галактик и в пространстве между галактиками в скоплениях, разумно предположить, что оно есть везде, и в этом случае дополнительное вещество между самыми большими гравитационно связанными объектами (сверхскоплениями галактик) разбавляется расширением и мы можем изучить его свойства, глядя на его влияние на это расширение.

Именно так была открыта темная энергия. Если мы посмотрим на далекие галактики, то есть посмотрим, что они делали в прошлом, мы обнаружим, что скорость их удаления не так велика, как мы ожидаем. Это означает, что должно быть что-то, что ускоряет расширение, то есть темная энергия.

В любом случае, если в динамике расширения преобладает обычная материя, мы обнаруживаем, что масштабный фактор зависит от$t^{2/3}$и это то, что мы можем проверить экспериментально. Должен признаться, что мои познания в космологии довольно скудны, и я не знаю точно, как это делается. Однако, если я правильно понимаю, расширение Вселенной от эпохи реликтового излучения до нескольких миллиардов лет назад (когда начала действовать темная энергия) совместимо с дополнительным веществом, имеющим то же уравнение состояния, что и материя.

Туда мы и вошли.

Хотя мы не можем исследовать уравнение состояния вещества в галактиках и скоплениях галактик, мы можем вывести некоторые его свойства из моделирования скопления галактик и образования галактик. Это косвенное измерение, и я снова должен сослаться на незнание деталей, но, как и в случае с расширением Вселенной, результаты совместимы с дополнительным материалом, представляющим собой обычную материю.