Nevidna "temna snov" v vesolju sili galaksije v razvoj

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

Dlje ko ostane skrivnost temne snovi nerešena, bolj eksotične hipoteze o njeni naravi se pojavljajo, vključno z najnovejšo idejo o dedovanju velikanskih črnih lukenj iz prejšnjega Vesolja.

Da bi vedeli, da nekaj obstaja, tega ni treba videti. Tako sta bila nekoč glede na gravitacijski vpliv na gibanje Urana odkrita Neptun in Pluton, danes pa poteka iskanje hipotetičnega planeta X na skrajnem obrobju sončnega sistema. Kaj pa, če takšen vpliv najdemo povsod v vesolju? Vzemimo na primer galaksije. Zdi se, da če se galaktični disk vrti, se mora hitrost zvezd zmanjšati z naraščajočo orbito. Tako je na primer pri planetih sončnega sistema: Zemlja hiti okoli Sonca s hitrostjo 29,8 km / s, Pluton pa s 4,7 km / s. Vendar pa so opazovanja Andromedine meglice že v tridesetih letih prejšnjega stoletja pokazala, da hitrost vrtenja njenih zvezd ostaja skoraj konstantna, ne glede na to, kako daleč so na obrobju. Ta situacija je značilna za galaksije, med drugim pa je privedla do pojava koncepta temne snovi.

Karneval težav

Verjame se, da je ne vidimo neposredno: ta skrivnostna snov praktično ne sodeluje z navadnimi delci, vključno z ne oddaja ali absorbira fotonov, lahko pa jo opazimo z gravitacijskim učinkom na druga telesa. Opazovanja gibanja zvezd in plinskih oblakov omogočajo sestavljanje podrobnih zemljevidov halo temne snovi, ki obdaja disk Rimske ceste, ki govorijo o pomembni vlogi, ki jo ima pri razvoju galaksij, kopic in celotnega velikega obsega. strukturo vesolja. Vendar se začnejo nadaljnje težave. Kaj je ta skrivnostna temna snov? Iz česa je sestavljena in kakšne lastnosti imajo njeni delci?

Že vrsto let so bili WIMP glavni kandidati za to vlogo – hipotetični delci, ki ne morejo sodelovati v nobenih interakcijah razen gravitacijskih. Poskušajo jih odkriti tako posredno, s produkti redkih interakcij z običajno snovjo, kot neposredno z uporabo močnih instrumentov, vključno z velikim hadronskim trkalnikom. Žal v obeh primerih ni rezultatov.

"Scenarij, v katerem LHC najde le Higgsov bozon in nič drugega, je bil z razlogom imenovan "scenarij nočne more"," pravi Sabine Hossenfelder, profesorica na univerzi v Frankfurtu. "Dejstvo, da niso našli nobenih znakov nove fizike, mi služi kot nedvoumen signal: tukaj nekaj ni v redu." Ta signal so ujeli tudi drugi znanstveniki. Po objavi negativnih rezultatov iskanja sledi temne snovi z LHC in drugimi instrumenti očitno narašča zanimanje za alternativne hipoteze o njeni naravi. In nekatere od teh rešitev so videti še bolj eksotično kot brazilski karneval.

Nešteto lukenj

Kaj pa, če WIMP-i ne obstajajo? Če je temna snov snov, ki je ne vidimo, vidimo pa učinke njene gravitacije, potem so morda le črne luknje? Teoretično bi se lahko na najzgodnejših stopnjah evolucije vesolja oblikovale v ogromnem številu - ne iz mrtvih zvezd velikank, ampak kot posledica kolapsa supergoste in vroče snovi, ki je napolnila žareči prostor. Ena težava: doslej ni bila najdena niti ena primordialna črna luknja in ni zagotovo znano, ali so sploh kdaj obstajale. Je pa v vesolju dovolj drugih črnih lukenj, ki so primerne za to vlogo.

Opazovanja oddaljene vesoljske sonde Voyager 1 niso odkrila sledi Hawkingovega sevanja, ki bi lahko kazalo na pojav primordialnih črnih lukenj mikroskopske velikosti. Vendar to ne izključuje obstoja večjih podobnih objektov. Od leta 2015 je interferometer LIGO registriral že 11 gravitacijskih valov, 10 pa jih je povzročilo združitev parov črnih lukenj z masami desetine sončnih mas. To je samo po sebi izjemno nepričakovano, saj takšni objekti nastanejo kot posledica eksplozij supernove, umrla zvezda pa pri tem izgubi večino svoje mase. Izkazalo se je, da so bile predhodnice združenih lukenj zvezde res ciklopskih velikosti, ki se v vesolju že dolgo ne bi smele roditi. Drug problem nastane zaradi njihovega oblikovanja binarnih sistemov. Eksplozija supernove je tako močan dogodek, da bo vsak bližnji predmet vržen daleč stran. Z drugimi besedami, LIGO je zaznal gravitacijske valove iz predmetov, katerih videz ostaja skrivnost.

Konec leta 2018 sta se takšnim objektom približala astrofizik Greenwiškega inštituta za znanost in tehnologijo Nikolaj Gorkavy in Nobelov nagrajenec John Mather. Njihovi izračuni so pokazali, da bi črne luknje z masami več deset sončnih mas lahko seštele galaktični halo, ki bi ostal praktično neviden za opazovanje in hkrati ustvaril vse značilne anomalije v strukturi in gibanju galaksij. Zdi se, od kod na oddaljenem obrobju galaksije prihaja potrebno število tako velikih črnih lukenj? Konec koncev se velika večina masivnih zvezd rodi in umre bližje središču. Odgovor Gorkavyja in Matherja je skoraj neverjeten: te črne luknje niso "prišle", v določenem smislu so obstajale vedno, od samega začetka vesolja. To so ostanki prejšnjega cikla v neskončnem zaporedju širjenja in krčenja sveta.

Polna črta prikazuje dejansko orbitalno hitrost zvezd in plina, ki krožijo okoli središča galaksije; pikčasto - pričakovano ob odsotnosti vpliva temne snovi.

Relikvije ponovnega rojstva

Na splošno Big Bounce ni nov model v kozmologiji, čeprav nedokazan, ki je enak mnogim drugim hipotezam o evoluciji kozmosa. Možno je, da se v življenju vesolja obdobja širitve res nadomestijo s krčenjem, "velikim kolapsom" - in novim odskokom-eksplozijom, rojstvom sveta naslednje generacije. Vendar pa v novem modelu te cikle vodijo črne luknje, ki delujejo kot temna snov in temna energija - skrivnostna snov ali sila, ki povzroča pospešeno širjenje našega vesolja.

Domneva se, da lahko črne luknje z absorpcijo snovi in združitvijo med seboj kopičijo vedno več celotne mase vesolja. To bi moralo privesti do upočasnitve njegovega širjenja in nato do krčenja. Po drugi strani, ko se črne luknje združijo, se pomemben del njihove mase izgubi z energijo gravitacijskih valov. Zato bo nastala luknja lažja od vsote njenih prejšnjih izrazov (na primer, prvi gravitacijski val, ki ga je zabeležil LIGO, se je rodil, ko se črne luknje s 36 in 29 sončnimi mas združijo in nastane luknja z maso "le "62 sončnih mas). Tako lahko Vesolje tudi izgublja maso, se krči in polni z vedno večjimi črnimi luknjami, vključno z eno največjih – osrednjo.

Končno se bo po dolgi seriji združevanja črnih lukenj, ko bo pomemben del mase Vesolja "iztekel" v obliki gravitacijskih valov, začel razpršiti v vse smeri. Od zunaj bo videti kot eksplozija - Veliki pok. Za razliko od klasične slike Big Rebound se pri takem modelu ne zgodi popolno uničenje prejšnjega sveta, novo Vesolje pa neposredno podeduje nekatere predmete od starša. Prvič, to so vse iste črne luknje, ki so v njej pripravljene znova igrati obe glavni vlogi - tako temno snov kot temno energijo.

Odlična mati

Torej se na tej nenavadni sliki izkaže, da so temna snov velike črne luknje, ki so podedovane iz vesolja v vesolje. Ne smemo pa pozabiti na »osrednjo« črno luknjo, ki bi morala nastajati v vsakem takem svetu na predvečer smrti in vztrajati v naslednjem. Izračuni astrofizikov so pokazali, da lahko njegova masa v našem današnjem prostoru doseže neverjetnih 6 x 1051 kg, 1/20 mase vse barionske snovi, in se nenehno povečuje. Njena rast lahko vodi v vse hitrejše širjenje prostor-časa in se kaže kot pospešeno širjenje Vesolja.

Seveda bi morala prisotnost takšne ciklopske mase voditi do pojava opaznih nehomogenosti v obsežni strukturi Vesolja. Za takšno heterogenost že obstaja kandidat - astronomska os zla. To so razmeroma šibki, a zelo zaskrbljujoči znaki anizotropije vesolja - strukture, ki se v njem manifestira na največjih lestvicah in se nikakor ne strinja s klasičnimi pogledi na Veliki pok in vse, kar se je zgodilo po njem.

Na poti eksotična hipoteza rešuje še eno astronomsko uganko - problem nepričakovano zgodnjega pojava supermasivnih črnih lukenj. Takšni objekti se nahajajo v središčih velikih galaksij in so z neznanimi sredstvi uspeli pridobiti maso v milijonih in celo milijardah sončnih mas že v prvih 1-2 milijardah let obstoja vesolja. Ni jasno, kje bi načeloma lahko našli toliko snovi, še bolj pa, kdaj bi jo lahko imeli čas, da jo absorbirajo. Toda v okviru ideje z "podedovanimi" črnimi luknjami so ta vprašanja odstranjena, ker bi lahko njihovi zarodki prišli do nas iz preteklega Vesolja.

Škoda, da je Gorkavyjeva ekstravagantna hipoteza še vedno le hipoteza. Da bi postala polnopravna teorija, je potrebno, da njene napovedi sovpadajo z opazovalnimi podatki - in s takšnimi, ki jih ni mogoče razložiti s tradicionalnimi modeli. Seveda bodo prihodnje raziskave omogočile primerjavo fantastičnih izračunov z realnostjo, vendar se to očitno ne bo zgodilo v bližnji prihodnosti. Zato ostajajo vprašanja o tem, kje je skrita temna snov in kaj je temna energija, neodgovorjena.