Osynlig "mörk materia" i rymden tvingar galaxer att utvecklas

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

Ju längre mysteriet med mörk materia förblir olöst, desto mer exotiska hypoteser om dess natur dyker upp, inklusive den senaste idén om arvet av gigantiska svarta hål från det tidigare universum.

För att veta att något existerar är det inte nödvändigt att se det. Så en gång, enligt gravitationsinflytandet på Uranus rörelse, upptäcktes Neptunus och Pluto, och idag pågår ett sökande efter en hypotetisk Planet X i solsystemets bortre utkanter. Men vad händer om vi hittar ett sådant inflytande överallt i universum? Ta galaxer till exempel. Det verkar som att om den galaktiska skivan roterar, bör stjärnornas hastighet minska med ökande omloppsbana. Detta är till exempel fallet med solsystemets planeter: jorden rusar runt solen med 29,8 km / s och Pluto - med 4,7 km / s. Men redan på 1930-talet visade observationer av Andromeda-nebulosan att rotationshastigheten för dess stjärnor förblir nästan konstant, oavsett hur långt i periferin de befinner sig. Denna situation är typisk för galaxer, och bland annat ledde den till uppkomsten av begreppet mörk materia.

Karneval av problem

Man tror att vi inte ser det direkt: detta mystiska ämne interagerar praktiskt taget inte med vanliga partiklar, inklusive det inte avger eller absorberar fotoner, men vi kan märka det genom gravitationseffekten på andra kroppar. Observationer av stjärnors och gasmolns rörelser gör det möjligt att sammanställa detaljerade kartor över den mörka materiens halo som omger Vintergatans skiva, och talar om den viktiga roll den spelar i utvecklingen av galaxer, kluster och hela den storskaliga universums struktur. Men ytterligare svårigheter börjar. Vad är denna mystiska mörka materia? Vad består den av och vilka egenskaper har dess partiklar?

Under många år har WIMPs varit huvudkandidaterna för denna roll - hypotetiska partiklar som inte kan delta i andra interaktioner än gravitation. De försöker upptäcka dem både indirekt, genom produkter av sällsynta interaktioner med vanlig materia, och direkt med hjälp av kraftfulla instrument, inklusive Large Hadron Collider. Tyvärr, i båda fallen finns det inga resultat.

"Scenariot där LHC bara hittar Higgs-bosonen och inget annat har kallats ett 'mardrömsscenario' av en anledning", säger Sabine Hossenfelder, professor vid universitetet i Frankfurt. "Det faktum att inga tecken på ny fysik hittades tjänar mig som en entydig signal: något är fel här." Andra forskare fick också upp denna signal. Efter publiceringen av negativa resultat av sökningar efter spår av mörk materia med hjälp av LHC och andra instrument, växer intresset för alternativa hypoteser om dess natur klart. Och några av dessa lösningar ser ännu mer exotiska ut än den brasilianska karnevalen.

Myriad hål

Vad händer om WIMPs inte finns? Om mörk materia är materia som vi inte kan se, men vi ser effekterna av dess gravitation, så kanske de bara är svarta hål? Teoretiskt sett, i de tidigaste stadierna av universums utveckling, kunde de ha bildats i enorma antal - inte från döda jättestjärnor, utan som ett resultat av kollapsen av supertät och varm materia som fyllde glödande rymden. Ett problem: hittills har inte ett enda ursvart hål hittats, och det är inte säkert känt om de någonsin existerat överhuvudtaget. Det finns dock tillräckligt med andra svarta hål i universum som är lämpliga för denna roll.

Observationer av den avlägsna rymdsonden Voyager 1 avslöjade inga spår av Hawking-strålning, vilket skulle kunna indikera uppkomsten av ursprungliga svarta hål av mikroskopisk storlek. Detta utesluter dock inte att det finns större liknande föremål. Sedan 2015 har LIGO-interferometern redan registrerat 11 gravitationsvågor, och 10 av dem orsakades av sammanslagningar av par av svarta hål med massor av tiotals solmassor. Detta i sig är extremt oväntat, eftersom sådana föremål bildas som ett resultat av supernovaexplosioner, och den avlidne stjärnan förlorar det mesta av sin massa i processen. Det visar sig att föregångarna till de sammanslagna hålen var stjärnor av riktigt cyklopiska storlekar, som inte borde ha fötts i universum på länge. Ett annat problem skapas av bildandet av binära system av dem. En supernovaexplosion är en händelse så kraftfull att alla nära föremål kommer att kastas långt bort. Med andra ord har LIGO upptäckt gravitationsvågor från föremål, vars utseende förblir ett mysterium.

I slutet av 2018 kontaktades sådana föremål av astrofysikern vid Greenwich Institute of Science and Technology Nikolai Gorkavy och Nobelpristagaren John Mather. Deras beräkningar visade att svarta hål med massor av tiotals solmassor mycket väl kunde lägga till en galaktisk gloria, som skulle förbli praktiskt taget osynlig för observation och samtidigt skapa alla karakteristiska anomalier i galaxernas struktur och rörelse. Det verkar, var på den avlägsna periferin av galaxen kommer från det erforderliga antalet så stora svarta hål? När allt kommer omkring föds de allra flesta massiva stjärnor och dör närmare mitten. Svaret Gorkavy och Mather ger är nästan otroligt: dessa svarta hål "kom inte", i en viss mening har de alltid funnits, från början av universum. Dessa är resterna av den föregående cykeln i en oändlig sekvens av expansioner och sammandragningar av världen.

Den heldragna linjen visar den verkliga omloppshastigheten för stjärnor och gas som kretsar kring galaxens centrum; prickad - förväntas i frånvaro av påverkan av mörk materia.

Reliker av återfödelse

I allmänhet är Big Bounce inte en ny modell inom kosmologin, om än oprövad, som existerar i nivå med många andra hypoteser om kosmos evolution. Det är möjligt att i universums liv ersätts perioderna av expansion verkligen av sammandragning, den "stora kollapsen" - och en ny studsexplosion, födelsen av nästa generations värld. Men i den nya modellen leds dessa cykler av svarta hål, som fungerar som både mörk materia och mörk energi - en mystisk substans eller kraft som orsakar den accelererade expansionen av vårt universum.

Det antas att genom att absorbera materia och smälta samman med varandra kan svarta hål ackumulera mer och mer av universums totala massa. Detta bör leda till en avmattning i expansionen och sedan till en sammandragning. Å andra sidan, när svarta hål smälter samman, förloras en betydande del av deras massa med energin från gravitationsvågor. Därför kommer det resulterande hålet att vara lättare än summan av dess tidigare termer (till exempel föddes den första gravitationsvågen som registrerades av LIGO när svarta hål med 36 och 29 solmassor smälter samman med bildandet av ett hål med en massa på "bara " 62 solmassor). Så universum kan också förlora massa, dra ihop sig och fyllas med allt större svarta hål, inklusive ett av de största - det centrala.

Slutligen, efter en lång rad sammanslagningar av svarta hål, när en betydande del av universums massa "läcker" i form av gravitationsvågor, kommer den att börja spridas i alla riktningar. Från utsidan kommer det att se ut som en explosion - Big Bang. Till skillnad från den klassiska Big Rebound-bilden sker inte den fullständiga förstörelsen av den tidigare världen i en sådan modell, och det nya universum ärver direkt några objekt från föräldern. Först och främst är dessa alla samma svarta hål, redo att återigen spela båda huvudrollerna i det - både mörk materia och mörk energi.

Bra förmodern

Så i denna ovanliga bild visar sig mörk materia vara stora svarta hål, som ärvs från universum till universum. Men vi får inte glömma det "centrala" svarta hålet, som borde bildas i varje sådan värld på tröskeln till dess död och bestå i nästa. Beräkningar av astrofysiker har visat att dess massa i vårt rum idag kan nå otroliga 6 x 1051 kg, 1/20 av massan av all baryonmateria, och kontinuerligt öka. Dess tillväxt kan leda till en allt snabbare expansion av rumtiden och manifestera sig som en accelererande expansion av universum.

Naturligtvis bör närvaron av en sådan cyklopisk massa leda till uppkomsten av märkbara inhomogeniteter i universums storskaliga struktur. Det finns redan en kandidat för sådan heterogenitet - den astronomiska ondskans axel. Dessa är relativt svaga, men mycket alarmerande tecken på universums anisotropi - strukturen som manifesterar sig i den på de största skalorna och inte på något sätt överensstämmer med de klassiska åsikterna om Big Bang och allt som hände efter det.

Längs vägen löser den exotiska hypotesen också en annan astronomisk gåta - problemet med det oväntat tidiga uppkomsten av supermassiva svarta hål. Sådana objekt är belägna i centrum av stora galaxer och lyckades på okända medel få massa i miljoner och till och med miljarder solmassor redan under de första 1-2 miljarderna av universums existens. Det är oklart var de i princip kunde hitta så mycket substans, och ännu mer när de skulle hinna ta till sig det. Men inom ramen för idén med "ärvda" svarta hål tas dessa frågor bort, eftersom deras embryon kunde ha kommit till oss från det förflutna Universum.

Det är synd att Gorkavys extravaganta hypotes fortfarande bara är en hypotes. För att det ska bli en fullfjädrad teori är det nödvändigt att dess förutsägelser sammanfaller med observationsdata – och med sådana som inte kan förklaras med traditionella modeller. Givetvis kommer framtida forskning att göra det möjligt att jämföra de fantastiska beräkningarna med verkligheten, men det kommer uppenbarligen inte att ske inom en snar framtid. Därför, medan frågorna om var mörk materia är gömd och vad mörk energi är, förblir obesvarade.