„Materia întunecată” invizibilă din spațiu forțează galaxiile să evolueze

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

Cu cât misterul materiei întunecate rămâne nerezolvat, cu atât apar ipoteze mai exotice despre natura sa, inclusiv cea mai nouă idee despre moștenirea găurilor negre gigantice din Universul anterior.

Pentru a ști că ceva există, nu este necesar să-l vezi. Așa că, odată, în funcție de influența gravitațională asupra mișcării lui Uranus, au fost descoperite Neptun și Pluto, iar astăzi este în curs de căutare o ipotetică Planetă X la periferia îndepărtată a sistemului solar. Dar dacă găsim o astfel de influență peste tot în Univers? Luați galaxiile, de exemplu. S-ar părea că dacă discul galactic se rotește, atunci viteza stelelor ar trebui să scadă odată cu creșterea orbitei. Acesta este, de exemplu, cazul planetelor sistemului solar: Pământul se grăbește în jurul Soarelui cu 29,8 km/s, iar Pluto - cu 4,7 km/s. Cu toate acestea, deja în anii 1930, observațiile nebuloasei Andromeda au arătat că viteza de rotație a stelelor sale rămâne aproape constantă, indiferent cât de departe se află la periferie. Această situație este tipică pentru galaxii și, printre alte motive, a dus la apariția conceptului de materie întunecată.

Carnavalul problemelor

Se crede că nu o vedem direct: această substanță misterioasă practic nu interacționează cu particulele obișnuite, inclusiv nu emite și nu absoarbe fotoni, dar o putem observa prin efectul gravitațional asupra altor corpuri. Observațiile mișcărilor stelelor și norilor de gaz fac posibilă elaborarea de hărți detaliate ale halou de materie întunecată care înconjoară discul Căii Lactee, vorbind despre rolul important pe care îl joacă acesta în evoluția galaxiilor, a clusterelor și a întregii largi. structura Universului. Cu toate acestea, încep și alte dificultăți. Ce este această materie întunecată misterioasă? În ce constă și ce proprietăți au particulele sale?

Timp de mulți ani, WIMP-urile au fost principalii candidați pentru acest rol - particule ipotetice care nu pot participa la alte interacțiuni decât gravitaționale. Aceștia încearcă să le detecteze atât indirect, prin produsele interacțiunilor rare cu materia obișnuită, cât și direct, folosind instrumente puternice, inclusiv Large Hadron Collider. Din păcate, în ambele cazuri, nu există rezultate.

„Scenariul în care LHC găsește doar bosonul Higgs și nimic altceva a fost numit „scenariu de coșmar” dintr-un motiv”, spune Sabine Hossenfelder, profesor la Universitatea din Frankfurt. „Faptul că nu au fost găsite semne de fizică nouă îmi servește ca un semnal clar: ceva nu este în regulă aici”. Alți oameni de știință au captat și acest semnal. După publicarea rezultatelor negative ale căutărilor pentru urme de materie întunecată folosind LHC și alte instrumente, interesul pentru ipoteze alternative despre natura sa este în mod clar în creștere. Și unele dintre aceste soluții par și mai exotice decât carnavalul brazilian.

Nenumărate găuri

Ce se întâmplă dacă WIMP-urile nu există? Dacă materia întunecată este materie pe care nu o putem vedea, dar vedem efectele gravitației sale, atunci poate că sunt doar găuri negre? Teoretic, în primele etape ale evoluției Universului, ele s-ar fi putut forma în număr mare - nu din stele gigantice moarte, ci ca urmare a prăbușirii materiei superdense și fierbinți care a umplut spațiul incandescent. O problemă: până acum nu a fost găsită o singură gaură neagră primordială și nu se știe cu certitudine dacă au existat vreodată. Cu toate acestea, există suficiente alte găuri negre în Univers care sunt potrivite pentru acest rol.

Observațiile sondei spațiale îndepărtate Voyager 1 nu au scos la iveală nicio urmă de radiație Hawking, care ar putea indica apariția unor găuri negre primordiale de dimensiuni microscopice. Cu toate acestea, acest lucru nu exclude existența unor obiecte similare mai mari. Din 2015, interferometrul LIGO a înregistrat deja 11 unde gravitaționale, iar 10 dintre ele au fost cauzate de fuziunea perechilor de găuri negre cu mase de zeci de mase solare. Acest lucru în sine este extrem de neașteptat, deoarece astfel de obiecte se formează ca urmare a exploziilor supernovei, iar steaua decedată își pierde cea mai mare parte din masă în acest proces. Se pare că precursorii găurilor îmbinate au fost stele de dimensiuni cu adevărat ciclope, care nu ar fi trebuit să se nască în Univers de multă vreme. O altă problemă este creată de formarea sistemelor binare de către aceștia. O explozie de supernovă este un eveniment atât de puternic încât orice obiect apropiat va fi aruncat departe. Cu alte cuvinte, LIGO a detectat unde gravitaționale de la obiecte, a căror apariție rămâne un mister.

La sfârșitul anului 2018, astfel de obiecte au fost abordate de astrofizicianul Institutului de Știință și Tehnologie din Greenwich Nikolai Gorkavy și de laureatul Nobel John Mather. Calculele lor au arătat că găurile negre cu mase de zeci de mase solare ar putea foarte bine să adună un halou galactic, care ar rămâne practic invizibil pentru observare și, în același timp, ar crea toate anomaliile caracteristice în structura și mișcarea galaxiilor. S-ar părea, de unde provine, la periferia îndepărtată a galaxiei, numărul necesar de găuri negre atât de mari? La urma urmei, marea majoritate a stelelor masive se nasc și mor mai aproape de centru. Răspunsul pe care îl dau Gorkavy și Mather este aproape de necrezut: aceste găuri negre nu au „venit”, într-un anumit sens au existat dintotdeauna, încă de la începutul Universului. Acestea sunt rămășițele ciclului anterior într-o succesiune nesfârșită de expansiuni și contracții ale lumii.

Linia continuă arată viteza orbitală reală a stelelor și a gazului care orbitează în jurul centrului galaxiei; punctat - așteptat în absența influenței materiei întunecate.

Relicve ale renașterii

În general, Big Bounce nu este un model nou în cosmologie, deși nedovedit, existând la egalitate cu multe alte ipoteze ale evoluției cosmosului. Este posibil ca, în viața universului, perioadele de expansiune să fie într-adevăr înlocuite de contracție, „Marele Colaps” - și o nouă explozie-sarire, nașterea lumii următoarei generații. Cu toate acestea, în noul model, aceste cicluri sunt conduse de găuri negre, acționând atât ca materie întunecată, cât și ca energie întunecată - o substanță sau o forță misterioasă care provoacă expansiunea accelerată a Universului nostru.

Se presupune că prin absorbția materiei și fuzionarea între ele, găurile negre pot acumula din ce în ce mai mult din masa totală a Universului. Acest lucru ar trebui să conducă la o încetinire a expansiunii sale și apoi la contracție. Pe de altă parte, atunci când găurile negre se îmbină, o parte semnificativă din masa lor se pierde cu energia undelor gravitaționale. Prin urmare, gaura rezultată va fi mai ușoară decât suma termenilor săi anteriori (de exemplu, prima undă gravitațională înregistrată de LIGO s-a născut atunci când găurile negre de 36 și 29 de mase solare se îmbină cu formarea unei găuri cu o masă de „doar „62 de mase solare). Deci Universul poate pierde și el în masă, contractându-se și umplându-se cu găuri negre din ce în ce mai mari, inclusiv una dintre cele mai mari - cea centrală.

În cele din urmă, după o serie lungă de fuziuni de găuri negre, când o parte semnificativă a masei Universului „se scurge” sub formă de unde gravitaționale, va începe să se împrăștie în toate direcțiile. Din exterior va arăta ca o explozie - Big Bang. Spre deosebire de tabloul clasic Big Rebound, distrugerea completă a lumii anterioare nu are loc într-un astfel de model, iar noul Univers moștenește direct unele obiecte de la părinte. În primul rând, toate acestea sunt aceleași găuri negre, gata să joace din nou ambele roluri principale în ea - atât materia întunecată, cât și energia întunecată.

Mare strămoșă

Deci, în această imagine neobișnuită, materia întunecată se dovedește a fi găuri negre mari, care sunt moștenite de la Univers către Univers. Dar nu trebuie să uităm de gaura neagră „centrală”, care ar trebui să se formeze în fiecare astfel de lume în ajunul morții sale și să persistă în următoarea. Calculele astrofizicienilor au arătat că masa sa în spațiul nostru de astăzi poate atinge un incredibil de 6 x 1051 kg, 1/20 din masa întregii materii barionice, și poate crește continuu. Creșterea sa poate duce la o expansiune tot mai rapidă a spațiului-timp și se poate manifesta ca o expansiune accelerată a Universului.

Desigur, prezența unei astfel de mase ciclopice ar trebui să ducă la apariția unor neomogenități vizibile în structura pe scară largă a Universului. Există deja un candidat pentru o astfel de eterogenitate - Axa astronomică a răului. Acestea sunt semne relativ slabe, dar foarte alarmante ale anizotropiei Universului - structura care se manifestă în el la cele mai mari scări și nu este în niciun fel de acord cu vederile clasice despre Big Bang și tot ce s-a întâmplat după acesta.

Pe parcurs, ipoteza exotică rezolvă și o altă ghicitoare astronomică - problema apariției neașteptat de timpurii a găurilor negre supermasive. Astfel de obiecte sunt situate în centrele galaxiilor mari și, prin mijloace necunoscute, au reușit să câștige masă în milioane și chiar miliarde de mase solare deja în primii 1-2 miliarde de ani de existență a Universului. Nu este clar unde ar putea, în principiu, să găsească atâta substanță și cu atât mai mult când ar putea avea timp să o absoarbă. Dar în cadrul ideii cu găuri negre „moștenite”, aceste întrebări sunt eliminate, deoarece embrionii lor ar fi putut ajunge la noi din Universul trecut.

Este păcat că ipoteza extravagantă a lui Gorkavy este încă doar o ipoteză. Pentru ca ea să devină o teorie cu drepturi depline, este necesar ca predicțiile sale să coincidă cu datele observaționale - și cu astfel de lucruri care nu pot fi explicate prin modelele tradiționale. Desigur, cercetările viitoare vor face posibilă compararea calculelor fantastice cu realitatea, dar acest lucru evident nu se va întâmpla în viitorul apropiat. Prin urmare, în timp ce întrebările despre unde este ascunsă materia întunecată și ce este energia întunecată, rămân fără răspuns.