Nevidljiva "tamna materija" u svemiru tjera galaksije da evoluiraju

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

Što duže misterija tamne materije ostaje neriješena, pojavljuju se egzotične hipoteze o njenoj prirodi, uključujući i najnoviju ideju o nasljeđu džinovskih crnih rupa iz prethodnog Univerzuma.

Da bi se znalo da nešto postoji, nije potrebno to vidjeti. Tako su nekada, prema gravitacionom uticaju na kretanje Urana, otkriveni Neptun i Pluton, a danas je u toku potraga za hipotetičkom Planetom X na dalekoj periferiji Sunčevog sistema. Ali šta ako takav uticaj pronađemo svuda u Univerzumu? Uzmite 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 sa planetama Sunčevog sistema: Zemlja juri oko Sunca brzinom od 29,8 km/s, a Pluton - 4,7 km/s. Međutim, već 1930-ih, zapažanja magline Andromeda pokazala su da brzina rotacije njenih zvijezda ostaje gotovo konstantna, bez obzira koliko su udaljene na periferiji. Ova situacija je tipična za galaksije, a između ostalih razloga, dovela je do pojave koncepta tamne materije.

Karneval problema

Vjeruje se da je ne vidimo direktno: ova misteriozna supstanca praktički ne stupa u interakciju s običnim česticama, uključujući i ne emituje i ne apsorbira fotone, ali to možemo primijetiti po gravitacijskom efektu na druga tijela. Posmatranja kretanja zvijezda i oblaka plina omogućavaju sastavljanje detaljnih mapa oreola tamne materije koja okružuje disk Mliječnog puta, govoreći o važnoj ulozi koju on igra u evoluciji galaksija, klastera i čitavog velikog strukturu Univerzuma. Međutim, počinju dalje poteškoće. Šta je to tajanstvena tamna materija? Od čega se sastoji i koja svojstva imaju njegove čestice?

Dugi niz godina, WIMP-ovi su glavni kandidati za ovu ulogu - hipotetičke čestice koje nisu u stanju da učestvuju ni u jednoj interakciji osim gravitacionih. Pokušavaju ih otkriti i indirektno, produktima rijetkih interakcija sa običnom materijom, i direktno, koristeći moćne instrumente, uključujući i Veliki hadronski sudarač. Nažalost, u oba slučaja nema rezultata.

„Scenario u kojem LHC pronalazi samo Higsov bozon i ništa drugo s razlogom je nazvan „scenarijem noćne more“,“kaže Sabine Hossenfelder, profesorica na Univerzitetu u Frankfurtu. "Činjenica da nisu pronađeni znaci nove fizike služi mi kao nedvosmislen signal: nešto ovdje nije u redu." Drugi naučnici su takođe uhvatili ovaj signal. Nakon objavljivanja negativnih rezultata potrage za tragovima tamne materije pomoću LHC-a i drugih instrumenata, interes za alternativne hipoteze o njenoj prirodi očito raste. A neka od ovih rješenja izgledaju još egzotičnije od brazilskog karnevala.

Bezbroj rupa

Šta ako WIMP-ovi ne postoje? Ako je tamna materija materija koju ne možemo da vidimo, ali vidimo efekte njene gravitacije, onda su to možda samo crne rupe? Teoretski, u najranijim fazama evolucije Univerzuma, mogli su se formirati u ogromnom broju - ne od mrtvih džinovskih zvijezda, već kao rezultat kolapsa superguste i vruće materije koja je ispunila usijani prostor. Jedan problem: do sada nije pronađena niti jedna primordijalna crna rupa, a ne zna se sa sigurnošću ni da li su uopšte postojale. Međutim, postoji dovoljno drugih crnih rupa u svemiru koje su pogodne za ovu ulogu.

Posmatranja 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. LIGO interferometar je već registrovao 11 gravitacionih talasa, a 10 ih je izazvano spajanjem parova crnih rupa sa masama od desetine solarnih masa. To je samo po sebi krajnje neočekivano, jer takvi objekti nastaju kao rezultat eksplozija supernove, a preminula zvijezda pri tom gubi većinu svoje mase. Ispostavilo se da su preteče spojenih rupa bile zvijezde zaista kiklopskih veličina, koje se dugo nisu trebale roditi u svemiru. Drugi problem stvara njihovo formiranje binarnih sistema. Eksplozija supernove je događaj toliko snažan da će svaki bliski objekt biti odbačen daleko. Drugim riječima, LIGO je otkrio gravitacijske valove iz objekata, čiji izgled ostaje misterija.

Krajem 2018. takvim objektima pristupili su astrofizičar Instituta za nauku i tehnologiju Greenwich Nikolaj Gorkavy i nobelovac John Mather. Njihovi proračuni su pokazali da bi crne rupe s masama od desetine solarnih masa mogle sabrati galaktički oreol, koji bi ostao praktički nevidljiv za promatranje i, u isto vrijeme, stvorio sve karakteristične anomalije u strukturi i kretanju galaksija. Čini se, odakle na udaljenoj periferiji galaksije dolazi potreban broj tako velikih crnih rupa? Na kraju krajeva, velika većina masivnih zvijezda se rađa i umire bliže centru. Odgovor koji Gorkavy i Mather daju gotovo je nevjerovatan: ove crne rupe nisu "došle", u određenom smislu su postojale oduvijek, od samog početka Univerzuma. To su ostaci prethodnog ciklusa u beskrajnom nizu ekspanzija i kontrakcija svijeta.

Puna linija pokazuje stvarnu orbitalnu brzinu zvijezda i plina koji kruže oko centra galaksije; tačkasta - očekuje se u odsustvu uticaja tamne materije.

Relikvije ponovnog rođenja

Općenito, Big Bounce nije novi model u kosmologiji, iako nedokazan, koji postoji u rangu s mnogim drugim hipotezama o evoluciji kosmosa. Moguće je da su u životu svemira periodi ekspanzije zaista zamijenjeni kontrakcijom, "velikim kolapsom" - i novom eksplozijom odskoka, rođenjem svijeta sljedeće generacije. Međutim, u novom modelu, ove cikluse provode crne rupe, djelujući i kao tamna materija i kao tamna energija - misteriozna supstanca ili sila koja uzrokuje ubrzano širenje našeg svemira.

Pretpostavlja se da crne rupe, apsorbirajući materiju i spajajući se jedna s drugom, 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 spoje, značajan dio njihove mase gubi se energijom gravitacijskih valova. Prema tome, rezultirajuća rupa će biti lakša od zbira svojih prijašnjih članova (na primjer, prvi gravitacijski val koji je snimio LIGO rođen je kada se crne rupe od 36 i 29 solarnih masa spoje sa formiranjem rupe s masom od "samo " 62 solarne mase). Tako i Univerzum može izgubiti masu, skupljajući se i ispunjavajući sve većim crnim rupama, uključujući i jednu od najvećih – centralnu.

Konačno, nakon dugog niza spajanja crnih rupa, kada značajan dio mase Univerzuma "iscuri" u obliku gravitacijskih valova, počeće da se raspršuje u svim smjerovima. Izvana će izgledati kao eksplozija - Veliki prasak. Za razliku od klasične slike Big Rebound-a, u takvom modelu ne dolazi do potpunog uništenja prethodnog svijeta, a novi Univerzum direktno nasljeđuje neke objekte od roditelja. Prije svega, sve su to iste crne rupe, spremne da ponovo igraju obje glavne uloge u njoj - i tamnu materiju i tamnu energiju.

Sjajna pramajka

Dakle, na ovoj neobičnoj slici tamna materija se ispostavlja kao velike crne rupe, koje su naslijeđene iz Univerzuma u Univerzum. Ali ne smijemo zaboraviti na "centralnu" crnu rupu, koja bi se u svakom takvom svijetu trebala formirati uoči njegove smrti i opstati u sljedećem. Proračuni astrofizičara pokazali su da njegova masa u našem današnjem prostoru može dostići nevjerovatnih 6 x 1051 kg, 1/20 mase sve barionske materije, i kontinuirano se povećavati. Njegov rast može dovesti do sve bržeg širenja prostor-vremena i manifestirati se kao ubrzano širenje Univerzuma.

Naravno, prisustvo takve kiklopske mase trebalo bi da dovede do pojave uočljivih nehomogenosti u strukturi Univerzuma velikih razmera. Već postoji kandidat za takvu heterogenost - astronomska Osa zla. To su relativno slabi, ali vrlo alarmantni znaci anizotropije Univerzuma - strukture koja se u njemu manifestira na 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 objekti se nalaze u centrima velikih galaksija i, nepoznatim putem, uspjeli su dobiti masu u milionima, pa čak i milijardama solarnih masa već u prvih 1-2 milijarde godina postojanja Univerzuma. Nejasno je gdje bi, u principu, mogli pronaći toliko tvari, a još više kada su mogli imati vremena da je apsorbiraju. Ali u okviru ideje sa "naslijeđenim" crnim rupama, ova pitanja su otklonjena, jer su njihovi embrioni mogli doći do nas iz prošlog Univerzuma.

Šteta što je Gorkavyjeva ekstravagantna hipoteza još uvijek samo hipoteza. Da bi postala punopravna teorija, neophodno je da se njena predviđanja poklapaju sa opservacijskim podacima - i to sa onima koji se ne mogu objasniti tradicionalnim modelima. Naravno, buduća istraživanja će omogućiti da se fantastični proračuni uporede sa stvarnošću, ali to se očigledno neće dogoditi u bliskoj budućnosti. Stoga, dok pitanja o tome gdje je skrivena tamna materija i šta je tamna energija, ostaju bez odgovora.