Η αόρατη «σκοτεινή ύλη» στο διάστημα αναγκάζει τους γαλαξίες να εξελιχθούν

2024 Συγγραφέας: Seth Attwood | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-16 16:02

Όσο περισσότερο το μυστήριο της σκοτεινής ύλης παραμένει άλυτο, τόσο περισσότερες εξωτικές υποθέσεις για τη φύση της εμφανίζονται, συμπεριλαμβανομένης της νεότερης ιδέας για την κληρονομιά των γιγάντιων μαύρων οπών από το προηγούμενο Σύμπαν.

Για να ξέρεις ότι κάτι υπάρχει, δεν είναι απαραίτητο να το δεις. Κάποτε λοιπόν, σύμφωνα με τη βαρυτική επιρροή στην κίνηση του Ουρανού, ανακαλύφθηκαν ο Ποσειδώνας και ο Πλούτωνας και σήμερα βρίσκεται σε εξέλιξη μια έρευνα για έναν υποθετικό Πλανήτη Χ στις μακρινές παρυφές του ηλιακού συστήματος. Τι γίνεται όμως αν βρούμε μια τέτοια επιρροή παντού στο Σύμπαν; Πάρτε για παράδειγμα τους γαλαξίες. Φαίνεται ότι εάν ο γαλαξιακός δίσκος περιστρέφεται, τότε η ταχύτητα των αστεριών θα πρέπει να μειώνεται με την αύξηση της τροχιάς. Αυτό, για παράδειγμα, συμβαίνει με τους πλανήτες του ηλιακού συστήματος: η Γη ορμάει γύρω από τον Ήλιο με 29,8 km / s και ο Πλούτωνας - με 4,7 km / s. Ωστόσο, ήδη στη δεκαετία του 1930, οι παρατηρήσεις του νεφελώματος της Ανδρομέδας έδειξαν ότι η ταχύτητα περιστροφής των αστεριών του παραμένει σχεδόν σταθερή, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά βρίσκονται στην περιφέρεια. Αυτή η κατάσταση είναι χαρακτηριστική για τους γαλαξίες και, μεταξύ άλλων, οδήγησε στην εμφάνιση της έννοιας της σκοτεινής ύλης.

Καρναβάλι προβλημάτων

Πιστεύεται ότι δεν το βλέπουμε άμεσα: αυτή η μυστηριώδης ουσία πρακτικά δεν αλληλεπιδρά με συνηθισμένα σωματίδια, συμπεριλαμβανομένου του ότι δεν εκπέμπει ή απορροφά φωτόνια, αλλά μπορούμε να το παρατηρήσουμε από τη βαρυτική επίδραση σε άλλα σώματα. Οι παρατηρήσεις των κινήσεων των αστεριών και των νεφών αερίου καθιστούν δυνατή τη σύνταξη λεπτομερών χαρτών του φωτοστέφανου της σκοτεινής ύλης που περιβάλλει τον δίσκο του Γαλαξία, μιλώντας για τον σημαντικό ρόλο που παίζει στην εξέλιξη των γαλαξιών, των σμηνών και ολόκληρης της μεγάλης κλίμακας δομή του Σύμπαντος. Ωστόσο, αρχίζουν περαιτέρω δυσκολίες. Τι είναι αυτή η μυστηριώδης σκοτεινή ύλη; Από τι αποτελείται και τι ιδιότητες έχουν τα σωματίδια του;

Για πολλά χρόνια, τα WIMP ήταν οι κύριοι υποψήφιοι για αυτόν τον ρόλο - υποθετικά σωματίδια που δεν μπορούν να συμμετάσχουν σε άλλες αλληλεπιδράσεις εκτός από τη βαρυτική. Προσπαθούν να τους ανιχνεύσουν τόσο έμμεσα, από τα προϊόντα σπάνιων αλληλεπιδράσεων με τη συνηθισμένη ύλη, όσο και άμεσα, χρησιμοποιώντας ισχυρά όργανα, συμπεριλαμβανομένου του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων. Αλίμονο και στις δύο περιπτώσεις δεν υπάρχουν αποτελέσματα.

«Το σενάριο στο οποίο ο LHC βρίσκει μόνο το μποζόνιο Higgs και τίποτα άλλο έχει ονομαστεί «σενάριο εφιάλτη» για κάποιο λόγο», λέει η Sabine Hossenfelder, καθηγήτρια στο Πανεπιστήμιο της Φρανκφούρτης. «Το γεγονός ότι δεν βρέθηκαν σημάδια νέας φυσικής μου χρησιμεύει ως σαφές μήνυμα: κάτι δεν πάει καλά εδώ». Άλλοι επιστήμονες έλαβαν επίσης αυτό το σήμα. Μετά τη δημοσίευση των αρνητικών αποτελεσμάτων των αναζητήσεων για ίχνη σκοτεινής ύλης με χρήση του LHC και άλλων οργάνων, το ενδιαφέρον για εναλλακτικές υποθέσεις σχετικά με τη φύση της αυξάνεται σαφώς. Και μερικές από αυτές τις λύσεις φαίνονται ακόμα πιο εξωτικές από το καρναβάλι της Βραζιλίας.

Μυριάδες τρύπες

Τι γίνεται αν δεν υπάρχουν WIMP; Εάν η σκοτεινή ύλη είναι ύλη που δεν μπορούμε να δούμε, αλλά βλέπουμε τα αποτελέσματα της βαρύτητάς της, τότε ίσως είναι απλώς μαύρες τρύπες; Θεωρητικά, στα πρώτα στάδια της εξέλιξης του Σύμπαντος, θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί σε τεράστιους αριθμούς - όχι από νεκρά γιγάντια αστέρια, αλλά ως αποτέλεσμα της κατάρρευσης της υπερπυκνής και καυτής ύλης που γέμισε τον πυρακτωμένο χώρο. Ένα πρόβλημα: μέχρι στιγμής δεν έχει βρεθεί ούτε μία αρχέγονη μαύρη τρύπα και δεν είναι γνωστό με βεβαιότητα αν υπήρχαν ποτέ. Ωστόσο, υπάρχουν αρκετές άλλες μαύρες τρύπες στο Σύμπαν που είναι κατάλληλες για αυτόν τον ρόλο.

Οι παρατηρήσεις του μακρινού διαστημικού ανιχνευτή Voyager 1 δεν αποκάλυψαν κανένα ίχνος ακτινοβολίας Hawking, που θα μπορούσε να υποδηλώνει την εμφάνιση αρχέγονων μαύρων οπών μικροσκοπικού μεγέθους. Ωστόσο, αυτό δεν αποκλείει την ύπαρξη μεγαλύτερων παρόμοιων αντικειμένων. Από το 2015, το συμβολόμετρο LIGO έχει ήδη καταγράψει 11 βαρυτικά κύματα, και 10 από αυτά προκλήθηκαν από συγχωνεύσεις ζευγών μαύρων οπών με μάζες δεκάδων ηλιακών μαζών. Αυτό από μόνο του είναι εξαιρετικά απροσδόκητο, επειδή τέτοια αντικείμενα σχηματίζονται ως αποτέλεσμα εκρήξεων σουπερνόβα και το νεκρό αστέρι χάνει το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του στη διαδικασία. Αποδεικνύεται ότι οι πρόδρομοι των συγχωνευμένων οπών ήταν αστέρια με πραγματικά κυκλώπεια μεγέθη, τα οποία δεν θα έπρεπε να είχαν γεννηθεί στο Σύμπαν για πολύ καιρό. Ένα άλλο πρόβλημα δημιουργείται από τον σχηματισμό δυαδικών συστημάτων από αυτούς. Μια έκρηξη σουπερνόβα είναι ένα γεγονός τόσο ισχυρό που κάθε κοντινό αντικείμενο θα πεταχτεί μακριά. Με άλλα λόγια, το LIGO έχει ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα από αντικείμενα, η εμφάνιση των οποίων παραμένει μυστήριο.

Στα τέλη του 2018, τέτοια αντικείμενα προσέγγισαν ο αστροφυσικός του Ινστιτούτου Επιστήμης και Τεχνολογίας του Γκρίνουιτς Νικολάι Γκόρκαβι και ο βραβευμένος με Νόμπελ Τζον Μάδερ. Οι υπολογισμοί τους έδειξαν ότι μαύρες τρύπες με μάζες δεκάδων ηλιακών μαζών θα μπορούσαν κάλλιστα να δημιουργήσουν ένα γαλαξιακό φωτοστέφανο, το οποίο θα παρέμενε πρακτικά αόρατο για παρατήρηση και, ταυτόχρονα, θα δημιουργούσε όλες τις χαρακτηριστικές ανωμαλίες στη δομή και την κίνηση των γαλαξιών. Φαίνεται, από πού στην μακρινή περιφέρεια του γαλαξία προέρχεται ο απαιτούμενος αριθμός τέτοιων μεγάλων μαύρων οπών; Εξάλλου, η συντριπτική πλειονότητα των αστεριών με μεγάλη μάζα γεννιούνται και πεθαίνουν πιο κοντά στο κέντρο. Η απάντηση που δίνουν ο Gorkavy και ο Mather είναι σχεδόν απίστευτη: αυτές οι μαύρες τρύπες δεν «ήρθαν», κατά μια έννοια υπήρχαν πάντα, από την αρχή του Σύμπαντος. Αυτά είναι τα απομεινάρια του προηγούμενου κύκλου σε μια ατελείωτη αλληλουχία διαστολών και συστολών του κόσμου.

Η συμπαγής γραμμή δείχνει την πραγματική τροχιακή ταχύτητα των άστρων και του αερίου που περιφέρονται γύρω από το κέντρο του γαλαξία. διακεκομμένη - αναμενόμενη απουσία της επιρροής της σκοτεινής ύλης.

Λείψανα της αναγέννησης

Γενικά, το Big Bounce δεν είναι ένα νέο μοντέλο στην κοσμολογία, αν και αναπόδεικτο, που υπάρχει στο ίδιο επίπεδο με πολλές άλλες υποθέσεις για την εξέλιξη του σύμπαντος. Είναι πιθανό ότι στη ζωή του σύμπαντος, οι περίοδοι διαστολής αντικαθίστανται πράγματι από συστολή, τη «Μεγάλη Κατάρρευση» - και μια νέα αναπήδηση-έκρηξη, τη γέννηση του κόσμου της επόμενης γενιάς. Ωστόσο, στο νέο μοντέλο, αυτοί οι κύκλοι διεξάγονται από μαύρες τρύπες, που λειτουργούν τόσο ως σκοτεινή ύλη όσο και ως σκοτεινή ενέργεια - μια μυστηριώδης ουσία ή δύναμη που προκαλεί την επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος μας.

Υποτίθεται ότι με την απορρόφηση της ύλης και τη συγχώνευση μεταξύ τους, οι μαύρες τρύπες μπορούν να συσσωρεύουν όλο και περισσότερο από τη συνολική μάζα του Σύμπαντος. Αυτό θα πρέπει να οδηγήσει σε επιβράδυνση της επέκτασής του και στη συνέχεια σε συστολή. Από την άλλη, όταν οι μαύρες τρύπες συγχωνεύονται, σημαντικό μέρος της μάζας τους χάνεται με την ενέργεια των βαρυτικών κυμάτων. Επομένως, η προκύπτουσα τρύπα θα είναι ελαφρύτερη από το άθροισμα των προηγούμενων όρων της (για παράδειγμα, το πρώτο βαρυτικό κύμα που καταγράφηκε από το LIGO γεννήθηκε όταν μαύρες τρύπες 36 και 29 ηλιακών μαζών συγχωνεύονται με το σχηματισμό μιας τρύπας με μάζα "μόνο "62 ηλιακές μάζες). Έτσι το Σύμπαν μπορεί επίσης να χάσει μάζα, συστέλλοντας και γεμίζοντας με ολοένα μεγαλύτερες μαύρες τρύπες, συμπεριλαμβανομένης μιας από τις μεγαλύτερες - της κεντρικής.

Τέλος, μετά από μια μακρά σειρά συγχωνεύσεων μαύρων τρυπών, όταν σημαντικό μέρος της μάζας του Σύμπαντος «διαρρεύσει» με τη μορφή βαρυτικών κυμάτων, θα αρχίσει να διασκορπίζεται προς όλες τις κατευθύνσεις. Από έξω θα μοιάζει με έκρηξη - το Big Bang. Σε αντίθεση με την κλασική εικόνα του Big Rebound, η πλήρης καταστροφή του προηγούμενου κόσμου δεν συμβαίνει σε ένα τέτοιο μοντέλο και το νέο Σύμπαν κληρονομεί άμεσα ορισμένα αντικείμενα από τον γονέα. Πρώτα απ 'όλα, αυτές είναι όλες οι ίδιες μαύρες τρύπες, έτοιμες να παίξουν ξανά και τους δύο κύριους ρόλους σε αυτό - τόσο τη σκοτεινή ύλη όσο και τη σκοτεινή ενέργεια.

Υπέροχη μάνα

Έτσι, σε αυτή την ασυνήθιστη εικόνα, η σκοτεινή ύλη αποδεικνύεται ότι είναι μεγάλες μαύρες τρύπες, οι οποίες κληρονομούνται από το Σύμπαν στο Σύμπαν. Δεν πρέπει όμως να ξεχνάμε την «κεντρική» μαύρη τρύπα, που θα πρέπει να σχηματίζεται σε κάθε τέτοιο κόσμο την παραμονή του θανάτου του και να επιμένει στον επόμενο. Οι υπολογισμοί των αστροφυσικών έδειξαν ότι η μάζα του στον σημερινό μας χώρο μπορεί να φτάσει τα απίστευτα 6 x 1051 kg, το 1/20 της μάζας όλης της βαρυονικής ύλης και να αυξάνεται συνεχώς. Η ανάπτυξή του μπορεί να οδηγήσει σε μια όλο και πιο γρήγορη διαστολή του χωροχρόνου και να εκδηλωθεί ως μια επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος.

Φυσικά, η παρουσία μιας τέτοιας κυκλώπειας μάζας θα πρέπει να οδηγήσει στην εμφάνιση αξιοσημείωτων ανομοιογενειών στη μεγάλης κλίμακας δομή του Σύμπαντος. Υπάρχει ήδη ένας υποψήφιος για τέτοια ετερογένεια - ο αστρονομικός Άξονας του Κακού. Αυτά είναι σχετικά αδύναμα, αλλά πολύ ανησυχητικά σημάδια της ανισοτροπίας του Σύμπαντος - η δομή που εκδηλώνεται σε αυτό στη μεγαλύτερη κλίμακα και δεν συμφωνεί με κανέναν τρόπο με τις κλασικές απόψεις για τη Μεγάλη Έκρηξη και όλα όσα συνέβησαν μετά από αυτήν.

Στην πορεία, η εξωτική υπόθεση λύνει επίσης έναν άλλο αστρονομικό γρίφο - το πρόβλημα της απροσδόκητα πρώιμης εμφάνισης υπερμεγέθων μαύρων τρυπών. Τέτοια αντικείμενα βρίσκονται στα κέντρα μεγάλων γαλαξιών και, με άγνωστα μέσα, κατάφεραν να αποκτήσουν μάζα σε εκατομμύρια ή ακόμη και σε δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες ήδη στα πρώτα 1-2 δισεκατομμύρια χρόνια της ύπαρξης του Σύμπαντος. Δεν είναι σαφές πού θα μπορούσαν, καταρχήν, να βρουν τόση ουσία, και ακόμη περισσότερο πότε θα μπορούσαν να έχουν χρόνο να την απορροφήσουν. Αλλά στο πλαίσιο της ιδέας με τις «κληρονομημένες» μαύρες τρύπες, αυτές οι ερωτήσεις αφαιρούνται, επειδή τα έμβρυά τους θα μπορούσαν να μας έχουν φτάσει από το παρελθόν Σύμπαν.

Είναι κρίμα που η εξωφρενική υπόθεση του Gorkavy εξακολουθεί να είναι απλώς μια υπόθεση. Για να γίνει μια ολοκληρωμένη θεωρία, είναι απαραίτητο οι προβλέψεις της να συμπίπτουν με δεδομένα παρατήρησης - και με τέτοια που δεν μπορούν να εξηγηθούν από τα παραδοσιακά μοντέλα. Φυσικά, μελλοντικές έρευνες θα καταστήσουν δυνατή τη σύγκριση των φανταστικών υπολογισμών με την πραγματικότητα, αλλά αυτό προφανώς δεν θα συμβεί στο εγγύς μέλλον. Επομένως, ενώ τα ερωτήματα σχετικά με το πού κρύβεται η σκοτεινή ύλη και τι είναι η σκοτεινή ενέργεια, παραμένουν αναπάντητα.