A láthatatlan "sötét anyag" az űrben kényszeríti a galaxisokat a fejlődésre

2024 Szerző: Seth Attwood | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 16:07

Minél tovább marad megfejtetlen a sötét anyag rejtélye, annál egzotikusabb hipotézisek jelennek meg természetéről, beleértve a legújabb elképzelést az óriás fekete lyukak öröklődéséről az előző Univerzumból.

Ahhoz, hogy tudjuk, hogy valami létezik, nem szükséges látni. Tehát egykor, az Uránusz mozgására gyakorolt gravitációs hatás alapján, felfedezték a Neptunuszt és a Plútót, ma pedig egy hipotetikus X bolygó után kutatnak a Naprendszer távoli peremén. De mi van, ha az Univerzumban mindenhol ilyen hatást találunk? Vegyük például a galaxisokat. Úgy tűnik, hogy ha a galaktikus korong forog, akkor a csillagok sebességének csökkennie kell a keringés növekedésével. Például ez a helyzet a Naprendszer bolygóival: a Föld 29,8 km / s, a Plútó pedig 4,7 km / s sebességgel rohan meg a Nap körül. Az Androméda-köd megfigyelései azonban már az 1930-as években kimutatták, hogy csillagainak forgási sebessége szinte állandó marad, függetlenül attól, hogy milyen messze vannak a periférián. Ez a helyzet a galaxisokra jellemző, és többek között ez vezetett a sötét anyag fogalmának kialakulásához.

A problémák karneválja

Úgy gondolják, hogy nem látjuk közvetlenül: ez a titokzatos anyag gyakorlatilag nem lép kölcsönhatásba közönséges részecskékkel, többek között nem bocsát ki és nem nyel el fotonokat, de más testekre gyakorolt gravitációs hatásból észrevehetjük. A csillagok és a gázfelhők mozgásának megfigyelése lehetővé teszi a Tejútrendszer korongját körülvevő sötét anyag halójának részletes térképeinek összeállítását, beszélve arról, hogy milyen fontos szerepet játszik a galaxisok, halmazok és az egész nagy léptékű evolúcióban. az Univerzum szerkezete. Azonban további nehézségek kezdődnek. Mi ez a titokzatos sötét anyag? Miből áll és milyen tulajdonságaik vannak a részecskéinek?

Sok éven át a WIMP-k voltak a fő jelöltek erre a szerepre – olyan hipotetikus részecskék, amelyek a gravitáción kívül semmilyen kölcsönhatásban nem tudnak részt venni. Megpróbálják kimutatni őket közvetetten, a közönséges anyagokkal való ritka kölcsönhatások termékei révén, és közvetlenül, erős eszközökkel, köztük a Nagy Hadronütköztetővel. Sajnos mindkét esetben nincs eredmény.

„Azt a forgatókönyvet, amelyben az LHC csak a Higgs-bozont találja, és semmi mást, okkal nevezték „rémálom-forgatókönyvnek”” – mondja Sabine Hossenfelder, a Frankfurti Egyetem professzora. "Az a tény, hogy nem találtak új fizikára utaló jeleket, egyértelmű jelzésként szolgál számomra: itt valami nincs rendben." Más tudósok is felvették ezt a jelet. A sötét anyag nyomainak LHC és más eszközök segítségével végzett keresésének negatív eredményeinek közzététele után egyértelműen nő az érdeklődés a természetével kapcsolatos alternatív hipotézisek iránt. Néhány ilyen megoldás pedig még a brazil karneválnál is egzotikusabbnak tűnik.

Számtalan lyuk

Mi van, ha a WIMP nem létezik? Ha a sötét anyag olyan anyag, amelyet nem látunk, de látjuk gravitációjának hatásait, akkor talán csak fekete lyukak? Elméletileg az Univerzum evolúciójának legkorábbi szakaszában hatalmas számban alakulhattak ki - nem holt óriáscsillagokból, hanem az izzó teret kitöltő szupersűrű és forró anyag összeomlása következtében. Egy probléma: eddig egyetlen ősfekete lyukat sem találtak, és azt sem tudni biztosan, hogy léteztek-e egyáltalán valaha. Van azonban elég más fekete lyuk az Univerzumban, amely alkalmas erre a szerepre.

A Voyager 1 távoli űrszonda megfigyelései során nem tártak fel Hawking-sugárzás nyomait, ami mikroszkopikus méretű ősfekete lyukak megjelenésére utalhatna. Ez azonban nem zárja ki a nagyobb hasonló objektumok létezését.2015 óta a LIGO interferométer már 11 gravitációs hullámot regisztrált, és ebből 10-et több tíz naptömegű fekete lyukpárok egyesülése okoz. Ez már önmagában is rendkívül váratlan, mert szupernóva-robbanások eredményeként jönnek létre az ilyen objektumok, és az elhunyt csillag a folyamat során tömegének nagy részét elveszíti. Kiderült, hogy az egyesült lyukak előfutárai valóban ciklop méretű csillagok voltak, amelyeknek már rég nem kellett volna megszületniük az Univerzumban. Egy másik problémát okoz az általuk létrehozott bináris rendszerek. A szupernóva-robbanás olyan erős esemény, hogy minden közeli tárgyat messzire dobnak. Más szóval, a LIGO gravitációs hullámokat észlelt tárgyakból, amelyek megjelenése továbbra is rejtély.

2018 végén az ilyen objektumokat a Greenwichi Tudományos és Technológiai Intézet asztrofizikusa, Nikolai Gorkavy és a Nobel-díjas John Mather kereste fel. Számításaik azt mutatták, hogy a több tíz naptömegű fekete lyukak összeadhatnak egy galaktikus glóriát, amely gyakorlatilag láthatatlan maradna a megfigyelés számára, és ezzel egyidejűleg minden jellegzetes anomáliát létrehozna a galaxisok szerkezetében és mozgásában. Úgy tűnik, honnan származik a szükséges számú ilyen nagy fekete lyuk a galaxis távoli peremén? Végül is a nagytömegű csillagok túlnyomó többsége a középponthoz közelebb születik és hal meg. Gorkavy és Mather válasza szinte hihetetlen: ezek a fekete lyukak nem „jöttek”, bizonyos értelemben mindig is léteztek, az Univerzum kezdetétől fogva. Ezek az előző ciklus maradványai a világ kiterjedésének és összehúzódásának végtelen sorozatában.

A folytonos vonal a galaxis középpontja körül keringő csillagok és gázok valós keringési sebességét mutatja; pontozott - a sötét anyag hatásának hiányában várható.

Az újjászületés ereklyéi

Általánosságban elmondható, hogy a Big Bounce nem egy új modell a kozmológiában, bár nem bizonyított, de egyenrangú a kozmosz fejlődésének sok más hipotézisével. Lehetséges, hogy az univerzum életében a tágulási periódusokat valóban felváltja a zsugorodás, a "Nagy Összeomlás" - és egy új lepattanó-robbanás, a következő generáció világának születése. Az új modellben azonban ezeket a ciklusokat fekete lyukak hajtják végre, amelyek sötét anyagként és sötét energiaként is működnek – egy titokzatos anyag vagy erő, amely Univerzumunk felgyorsult tágulását okozza.

Feltételezik, hogy az anyag elnyelésével és egymással való összeolvadásával a fekete lyukak egyre többet halmozhatnak fel az Univerzum teljes tömegéből. Ennek a terjeszkedés lelassulásához, majd összehúzódásához kell vezetnie. Másrészt, amikor a fekete lyukak egyesülnek, tömegük jelentős része elvész a gravitációs hullámok energiájával. Ezért az így létrejövő lyuk könnyebb lesz, mint a korábbi kifejezéseinek összege (például a LIGO által rögzített első gravitációs hullám akkor született, amikor a 36 és 29 naptömegű fekete lyukak egyesülnek egy "csak" tömegű lyukkal. "62 naptömeg). Így az Univerzum is veszíthet tömegéből, összehúzódva és megtelve egyre nagyobb fekete lyukakkal, beleértve az egyik legnagyobbat, a központi lyukat.

Végül a fekete lyukak egyesüléseinek hosszú sorozata után, amikor az Univerzum tömegének jelentős része gravitációs hullámok formájában "kiszivárog", minden irányba szóródni kezd. Kívülről úgy fog kinézni, mint egy robbanás - az ősrobbanás. A klasszikus Big Rebound képtől eltérően egy ilyen modellben nem történik meg az előző világ teljes megsemmisülése, és az új Univerzum egyes objektumokat közvetlenül a szülőtől örököl. Először is, ezek mind ugyanazok a fekete lyukak, készen állnak arra, hogy ismét mindkét fő szerepet betöltsék - mind a sötét anyagot, mind a sötét energiát.

Remek előd

Tehát ezen a szokatlan képen a sötét anyagról kiderül, hogy nagy fekete lyukak, amelyek az Univerzumból öröklődnek az Univerzumba. De nem szabad megfeledkeznünk a „központi” fekete lyukról sem, amelynek minden ilyen világban a halála előestéjén kell kialakulnia, és a következőben is fennmaradnia. Asztrofizikusok számításai kimutatták, hogy tömege a mai világűrben elérheti a hihetetlenül 6 x 1051 kg-ot, az összes barion anyag tömegének 1/20-át, és folyamatosan növekedhet. Növekedése a téridő egyre gyorsabb tágulásához vezethet, és az Univerzum gyorsuló tágulásaként nyilvánulhat meg.

Természetesen egy ilyen ciklop tömeg jelenléte észrevehető inhomogenitások megjelenéséhez kell vezessen az Univerzum nagyméretű szerkezetében. Már van egy jelölt az ilyen heterogenitásra - a gonosz csillagászati tengelye. Ezek viszonylag gyenge, de nagyon riasztó jelei az Univerzum anizotrópiájának - annak a szerkezetnek, amely a legnagyobb léptékben nyilvánul meg benne, és semmiképpen sem egyezik az ősrobbanásról és minden utána történt klasszikus nézeteiről.

Útközben az egzotikus hipotézis egy másik csillagászati rejtvényt is megfejt - a szupermasszív fekete lyukak váratlanul korai megjelenésének problémáját. Az ilyen objektumok nagy galaxisok központjában helyezkednek el, és ismeretlen eszközökkel már az Univerzum létezésének első 1-2 milliárd évében milliós, sőt milliárdos naptömegű tömeget tudtak elérni. Nem világos, hogy elvileg hol találhatnának ennyi anyagot, és még inkább nem világos, mikor lesz idejük felszívni. De az "öröklött" fekete lyukakkal kapcsolatos ötlet keretein belül ezek a kérdések kikerülnek, mert embriójuk a múlt Univerzumából kerülhetett hozzánk.

Kár, hogy Gorkavy extravagáns hipotézise még mindig csak hipotézis. Ahhoz, hogy teljes értékű elméletté váljon, szükséges, hogy előrejelzései egyezzenek a megfigyelési adatokkal - és olyanokkal, amelyek nem magyarázhatók hagyományos modellekkel. Természetesen a jövőbeni kutatások lehetővé teszik a fantasztikus számítások valósággal való összehasonlítását, de erre nyilván nem a közeljövőben kerül sor. Ezért, bár a sötét anyag hol rejtőzködő és mi a sötét energia, kérdések megválaszolatlanok maradnak.