Nevidljiva "tamna tvar" u svemiru tjera galaksije na razvoj

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

Što dulje zagonetka tamne tvari ostaje neriješena, pojavljuju se egzotičnije hipoteze o njezinoj prirodi, uključujući najnoviju ideju o nasljeđu divovskih crnih rupa iz prethodnog Svemira.

Da bi se znalo da nešto postoji, nije potrebno to vidjeti. Tako su nekada, prema gravitacijskom utjecaju na kretanje Urana, otkriveni Neptun i Pluton, a danas je u tijeku potraga za hipotetičkim Planetom X na dalekom rubu Sunčevog sustava. Ali što ako takav utjecaj pronađemo posvuda u Svemiru? Uzmimo galaksije, na primjer. Čini se da ako se galaktički disk rotira, tada bi se brzina zvijezda trebala smanjivati s povećanjem orbite. To je, na primjer, slučaj s planetima Sunčevog sustava: Zemlja juri oko Sunca brzinom od 29,8 km / s, a Pluton - 4,7 km / s. Međutim, već 1930-ih, promatranja maglice Andromeda pokazala su da brzina rotacije njezinih zvijezda ostaje gotovo konstantna, bez obzira koliko su udaljene na periferiji. Ova situacija je tipična za galaksije, a među ostalim je dovela i do pojave koncepta tamne tvari.

Karneval problema

Vjeruje se da to ne vidimo izravno: ova tajanstvena tvar praktički ne stupa u interakciju s običnim česticama, uključujući i ne emitira niti apsorbira fotone, ali to možemo primijetiti po gravitacijskom učinku na druga tijela. Promatranja kretanja zvijezda i oblaka plina omogućuju sastavljanje detaljnih karata oreola tamne materije koja okružuje disk Mliječne staze, govoreći o važnoj ulozi koju ona igra u evoluciji galaksija, jata i čitavih velikih razmjera. struktura Svemira. Međutim, počinju daljnje poteškoće. Što je to tajanstvena tamna tvar? Od čega se sastoji i kakva svojstva imaju njegove čestice?

Dugi niz godina, WIMP-ovi su glavni kandidati za tu ulogu – hipotetičke čestice koje nisu u stanju sudjelovati ni u kakvim interakcijama osim gravitacijskim. Pokušavaju ih otkriti i neizravno, produktima rijetkih interakcija s običnom materijom, i izravno, koristeći moćne instrumente, uključujući i Veliki hadronski sudarač. Jao, u oba slučaja nema rezultata.

"Scenarij u kojem LHC pronalazi samo Higgsov bozon i ništa drugo s razlogom je nazvan "scenarijem noćne more"," kaže Sabine Hossenfelder, profesorica sa Sveučilišta u Frankfurtu. "Činjenica da nisu pronađeni znakovi nove fizike služi mi kao nedvosmislen signal: ovdje nešto nije u redu." Drugi znanstvenici također su uhvatili ovaj signal. Nakon objavljivanja negativnih rezultata potrage za tragovima tamne tvari pomoću LHC-a i drugih instrumenata, interes za alternativne hipoteze o njezinoj prirodi očito raste. A neka od tih rješenja izgledaju još egzotičnije od brazilskog karnevala.

Bezbroj rupa

Što ako WIMP-ovi ne postoje? Ako je tamna tvar materija koju ne možemo vidjeti, ali vidimo učinke njezine gravitacije, onda su to možda samo crne rupe? Teoretski, u najranijim fazama evolucije Svemira, mogli su se formirati u ogromnom broju - ne od mrtvih divovskih zvijezda, već kao rezultat kolapsa superguste i vruće materije koja je ispunila užareni prostor. Jedan problem: do sada nije pronađena niti jedna primordijalna crna rupa, a ne zna se pouzdano ni jesu li uopće postojale. Međutim, postoji dovoljno drugih crnih rupa u Svemiru koje su prikladne za ovu ulogu.

Promatranja udaljene svemirske sonde Voyager 1 nisu otkrila nikakve tragove Hawkingovog zračenja, što bi moglo ukazivati na pojavu primordijalnih crnih rupa mikroskopske veličine. Međutim, to ne isključuje postojanje većih sličnih objekata. Od 2015. godine interferometar LIGO je već registrirao 11 gravitacijskih valova, a 10 ih je uzrokovano spajanjem parova crnih rupa s masama od desetak solarnih masa. To je samo po sebi krajnje neočekivano, jer takvi objekti nastaju kao posljedica eksplozija supernove, a preminula zvijezda pri tome gubi većinu svoje mase. Ispada da su preteče spojenih rupa bile zvijezde stvarno kiklopskih veličina, koje se već dugo nisu trebale roditi u Svemiru. Drugi problem stvara njihovo formiranje binarnih sustava. Eksplozija supernove je događaj toliko snažan da će svaki bliski objekt biti odbačen daleko. Drugim riječima, LIGO je detektirao gravitacijske valove iz objekata, čiji izgled ostaje misterij.

Krajem 2018. takvim su objektima pristupili astrofizičar Instituta za znanost i tehnologiju Greenwich Nikolaj Gorkavy i nobelovac John Mather. Njihovi su proračuni pokazali da bi crne rupe s masama od nekoliko desetaka solarnih masa mogle zbrajati galaktičku aureolu, koja bi ostala praktički nevidljiva za promatranje i, u isto vrijeme, stvarala sve karakteristične anomalije u strukturi i kretanju galaksija. Čini se, odakle na udaljenoj periferiji galaksije dolazi potreban broj tako velikih crnih rupa? Uostalom, velika većina masivnih zvijezda se rađa i umire bliže centru. Odgovor koji Gorkavy i Mather daju gotovo je nevjerojatan: te crne rupe nisu "došle", u određenom smislu postojale su oduvijek, od samog početka Svemira. To su ostaci prethodnog ciklusa u beskrajnom nizu širenja i kontrakcija svijeta.

Puna linija pokazuje stvarnu orbitalnu brzinu zvijezda i plina koji kruže oko središta galaksije; točkasto - očekivano u nedostatku utjecaja tamne tvari.

Relikvije ponovnog rođenja

Općenito, Big Bounce nije novi model u kozmologiji, iako nedokazan, koji postoji na razini mnogih drugih hipoteza o evoluciji kozmosa. Moguće je da su u životu svemira razdoblja ekspanzije doista zamijenjena kontrakcijom, "velikim kolapsom" - i novom eksplozijom odskoka, rođenjem svijeta sljedeće generacije. Međutim, u novom modelu, te cikluse provode crne rupe, djelujući i kao tamna tvar i tamna energija - tajanstvena tvar ili sila koja uzrokuje ubrzano širenje našeg Svemira.

Pretpostavlja se da crne rupe apsorbirajući materiju i međusobno spajanje mogu akumulirati sve više ukupne mase Svemira. To bi trebalo dovesti do usporavanja njegovog širenja, a zatim do kontrakcije. S druge strane, kada se crne rupe spajaju, značajan dio njihove mase se gubi s energijom gravitacijskih valova. Stoga će rezultirajuća rupa biti lakša od zbroja svojih prijašnjih pojmova (na primjer, prvi gravitacijski val koji je snimio LIGO rođen je kada se crne rupe od 36 i 29 solarnih masa spoje s formiranjem rupe s masom od "samo " 62 solarne mase). Tako i Svemir može gubiti masu, skupljajući se i ispunjavajući sve većim crnim rupama, uključujući i jednu od najvećih – središnju.

Konačno, nakon dugog niza spajanja crnih rupa, kada značajan dio mase Svemira “iscuri” u obliku gravitacijskih valova, počet će se raspršivati na sve strane. Izvana će izgledati kao eksplozija – Veliki prasak. Za razliku od klasične slike Big Rebound, u takvom modelu ne dolazi do potpunog uništenja prijašnjeg svijeta, a novi Svemir izravno nasljeđuje neke objekte od roditelja. Prije svega, sve su to iste crne rupe, spremne ponovno igrati obje glavne uloge u njoj – i tamnu tvar i tamnu energiju.

Sjajna pramajka

Dakle, na ovoj neobičnoj slici, tamna tvar se ispostavlja kao velike crne rupe, koje su naslijeđene iz Svemira u Svemir. No, ne smijemo zaboraviti na "središnju" crnu rupu, koja bi se trebala formirati u svakom takvom svijetu uoči njegove smrti i ustrajati u sljedećem. Proračuni astrofizičara pokazali su da njegova masa u našem današnjem prostoru može doseći nevjerojatnih 6 x 1051 kg, 1/20 mase sve barionske materije, te da se kontinuirano povećava. Njegov rast može dovesti do sve bržeg širenja prostor-vremena i manifestirati se kao ubrzano širenje Svemira.

Naravno, prisutnost takve kiklopske mase trebala bi dovesti do pojave uočljivih nehomogenosti u strukturi svemira velikih razmjera. Već postoji kandidat za takvu heterogenost – astronomska Os zla. To su relativno slabi, ali vrlo alarmantni znakovi anizotropije Svemira – strukture koja se u njemu očituje u najvećim razmjerima i ni na koji način se ne slaže s klasičnim pogledima na Veliki prasak i sve što se dogodilo nakon njega.

Usput, egzotična hipoteza rješava i još jednu astronomsku zagonetku - problem neočekivano rane pojave supermasivnih crnih rupa. Takvi se objekti nalaze u središtima velikih galaksija i na nepoznat način uspjeli su dobiti masu u milijunima, pa čak i milijardama solarnih masa već u prvih 1-2 milijarde godina postojanja Svemira. Nejasno je gdje bi, u principu, mogli pronaći toliko tvari, a još više kada bi je mogli imati vremena apsorbirati. No, u okviru ideje s "naslijeđenim" crnim rupama ta se pitanja uklanjaju, jer su nam njihovi zameci mogli doći iz prošlog Svemira.

Šteta što je Gorkavyjeva ekstravagantna hipoteza još uvijek samo hipoteza. Da bi postala punopravna teorija, potrebno je da se njezina predviđanja podudaraju s podacima promatranja - i to s onima koji se ne mogu objasniti tradicionalnim modelima. Naravno, buduća istraživanja omogućit će usporedbu fantastičnih proračuna sa stvarnošću, ali to se očito neće dogoditi u bliskoj budućnosti. Stoga, dok pitanja o tome gdje je skrivena tamna tvar i što je tamna energija, ostaju bez odgovora.