Nematoma „tamsioji medžiaga“erdvėje verčia galaktikas vystytis

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

Kuo ilgiau tamsiosios materijos paslaptis lieka neišspręsta, tuo daugiau egzotiškų hipotezių apie jos prigimtį atsiranda, įskaitant naujausią idėją apie milžiniškų juodųjų skylių paveldėjimą iš ankstesnės Visatos.

Norint žinoti, kad kažkas egzistuoja, nebūtina to matyti. Taigi kažkada, atsižvelgiant į gravitacinę įtaką Urano judėjimui, buvo atrasti Neptūnas ir Plutonas, o šiandien ieškoma hipotetinės X planetos tolimame Saulės sistemos pakraštyje. Bet ką daryti, jei tokią įtaką rasime visur Visatoje? Paimkite, pavyzdžiui, galaktikas. Atrodytų, jei galaktikos diskas sukasi, žvaigždžių greitis turėtų mažėti didėjant orbitai. Taip yra, pavyzdžiui, su Saulės sistemos planetomis: Žemė skrieja aplink Saulę 29,8 km/s, o Plutonas – 4,7 km/s greičiu. Tačiau jau 1930-aisiais Andromedos ūko stebėjimai parodė, kad jo žvaigždžių sukimosi greitis išlieka beveik pastovus, kad ir kaip toli jos būtų periferijoje. Tokia situacija būdinga galaktikoms ir, be kitų priežasčių, lėmė tamsiosios materijos sampratos atsiradimą.

Problemų karnavalas

Manoma, kad mes to tiesiogiai nematome: ši paslaptinga medžiaga praktiškai nesąveikauja su įprastomis dalelėmis, tame tarpe nespinduliuoja ir nesugeria fotonų, tačiau galime tai pastebėti pagal gravitacinį poveikį kitiems kūnams. Žvaigždžių ir dujų debesų judėjimo stebėjimai leidžia sudaryti išsamius tamsiosios medžiagos aureolės, supančios Paukščių Tako diską, žemėlapius, kalbant apie svarbų vaidmenį, kurį ji atlieka galaktikų, spiečių ir viso didelio masto evoliucijoje. Visatos struktūra. Tačiau prasideda tolesni sunkumai. Kas yra ši paslaptinga tamsioji medžiaga? Iš ko jis susideda ir kokias savybes turi jo dalelės?

Daugelį metų WIMP buvo pagrindiniai kandidatai į šį vaidmenį – hipotetinės dalelės, kurios negali dalyvauti jokioje kitoje sąveikoje, išskyrus gravitacinę. Jie bando juos aptikti ir netiesiogiai, retos sąveikos su įprasta medžiaga produktais, ir tiesiogiai, naudodami galingus instrumentus, įskaitant Didįjį hadronų greitintuvą. Deja, abiem atvejais rezultatų nėra.

„Scenarijus, pagal kurį LHC randa tik Higso bozoną ir nieko kito, ne veltui vadinamas „košmaro scenarijumi“, – sako Sabine Hossenfelder, Frankfurto universiteto profesorė. „Tai, kad nebuvo rasta jokių naujos fizikos ženklų, man tarnauja kaip nedviprasmiškas signalas: kažkas čia ne taip. Kiti mokslininkai taip pat paėmė šį signalą. Paskelbus neigiamus tamsiosios medžiagos pėdsakų paieškų naudojant LHC ir kitus instrumentus rezultatus, susidomėjimas alternatyviomis hipotezėmis apie jos prigimtį akivaizdžiai auga. O kai kurie iš šių sprendimų atrodo dar egzotiškiau nei Brazilijos karnavalas.

Daugybė skylių

Ką daryti, jei WIMP nėra? Jei tamsioji materija yra materija, kurios nematome, bet matome jos gravitacijos poveikį, tai gal tai tik juodosios skylės? Teoriškai ankstyviausiuose Visatos evoliucijos etapuose jų galėjo susidaryti didžiulis skaičius – ne iš mirusių milžiniškų žvaigždžių, o dėl supertankios ir karštos materijos, užpildžiusios kaitinamąją erdvę, žlugimo. Viena problema: iki šiol nebuvo rasta nei viena pirmykštė juodoji skylė, ir nėra tiksliai žinoma, ar jos apskritai egzistavo. Tačiau Visatoje yra pakankamai kitų juodųjų skylių, tinkančių šiam vaidmeniui.

Tolimo kosminio zondo „Voyager 1“stebėjimai neatskleidė jokių Hokingo spinduliuotės pėdsakų, kurie galėtų rodyti pirmykščių mikroskopinio dydžio juodųjų skylių atsiradimą. Tačiau tai neatmeta didesnių panašių objektų egzistavimo. Nuo 2015 metų LIGO interferometras jau užregistravo 11 gravitacinių bangų, 10 iš jų sukėlė juodųjų skylių porų, kurių masė siekia dešimtis Saulės masių, susijungimo. Tai savaime yra nepaprastai netikėta, nes tokie objektai susidaro dėl supernovos sprogimų, o mirusi žvaigždė praranda didžiąją dalį savo masės. Pasirodo, susiliejusių skylių pirmtakai buvo išties ciklopiško dydžio žvaigždės, kurios Visatoje jau seniai neturėjo gimti. Kita problema kyla dėl jų formuojamų dvejetainių sistemų. Supernovos sprogimas yra toks galingas įvykis, kad bet koks arti esantis objektas bus išmestas toli. Kitaip tariant, LIGO aptiko objektų gravitacines bangas, kurių išvaizda tebėra paslaptis.

2018 metų pabaigoje prie tokių objektų kreipėsi Grinvičo mokslo ir technologijų instituto astrofizikas Nikolajus Gorkavy ir Nobelio premijos laureatas Johnas Matheris. Jų skaičiavimai parodė, kad juodosios skylės, kurių masė siekia dešimtis Saulės masių, gali sudaryti galaktikos aureolę, kuri liktų praktiškai nematoma stebėjimui ir kartu sukurtų visas būdingas galaktikų struktūros ir judėjimo anomalijas. Atrodytų, iš kur tolimoje galaktikos pakraštyje atsirado reikiamas skaičius tokių didelių juodųjų skylių? Juk didžioji dauguma masyvių žvaigždžių gimsta ir miršta arčiau centro. Gorkavy ir Mather atsakymas yra beveik neįtikėtinas: šios juodosios skylės „neatėjo“, tam tikra prasme jos egzistavo visada, nuo pat Visatos atsiradimo. Tai yra ankstesnio ciklo likučiai begalinėje pasaulio plėtimų ir susitraukimų sekoje.

Ištisinė linija rodo tikrąjį žvaigždžių ir dujų, skriejančių aplink galaktikos centrą, orbitos greitį; taškuotas – tikimasi, nesant tamsiosios medžiagos įtakos.

Atgimimo relikvijos

Apskritai „Big Bounce“nėra naujas kosmologijos modelis, nors ir neįrodytas, egzistuojantis kaip ir daugelis kitų kosmoso evoliucijos hipotezių. Gali būti, kad visatos gyvenime plėtimosi periodus iš tiesų pakeičia susitraukimas, „Didysis kolapsas“– ir naujas atšokimas-sprogimas, naujos kartos pasaulio gimimas. Tačiau naujajame modelyje šiuos ciklus vykdo juodosios skylės, veikiančios ir kaip tamsioji medžiaga, ir kaip tamsioji energija – paslaptinga medžiaga ar jėga, sukelianti pagreitintą mūsų Visatos plėtimąsi.

Daroma prielaida, kad sugerdamos materiją ir susiliedamos viena su kita, juodosios skylės gali sukaupti vis daugiau visos Visatos masės. Tai turėtų lemti jos plėtimosi sulėtėjimą, o vėliau – susitraukimą. Kita vertus, juodosioms skylėms susiliejus, su gravitacinių bangų energija prarandama nemaža jų masės dalis. Todėl susidariusi skylė bus lengvesnė nei jos ankstesnių terminų suma (pavyzdžiui, pirmoji LIGO užfiksuota gravitacinė banga gimė, kai 36 ir 29 Saulės masių juodosios skylės susilieja ir susidaro skylė, kurios masė yra „tik 62 saulės masės). Taigi Visata taip pat gali prarasti masę, susitraukdama ir prisipildydama vis didesnių juodųjų skylių, įskaitant vieną didžiausių – centrinę.

Galiausiai po ilgos juodųjų skylių susijungimų serijos, kai nemaža dalis Visatos masės „nutekės“gravitacinių bangų pavidalu, ji pradės sklaidytis į visas puses. Iš išorės tai atrodys kaip sprogimas – Didysis sprogimas. Skirtingai nuo klasikinio „Big Rebound“paveikslo, tokiame modelyje visiškas ankstesnio pasaulio sunaikinimas neįvyksta, o naujoji Visata kai kuriuos objektus tiesiogiai paveldi iš tėvų. Visų pirma, tai visos tos pačios juodosios skylės, pasirengusios joje vėl atlikti abu pagrindinius vaidmenis – ir tamsiąją materiją, ir tamsiąją energiją.

Puiki pirmūnė

Taigi, šiame neįprastame paveiksle tamsioji medžiaga pasirodo esanti didelės juodosios skylės, paveldėtos iš Visatos į Visatą. Tačiau nereikia pamiršti apie „centrinę“juodąją skylę, kuri turėtų susidaryti kiekviename tokiame pasaulyje jo mirties išvakarėse ir išlikti kitame. Astrofizikų skaičiavimai parodė, kad jo masė mūsų šiandieninėje erdvėje gali pasiekti neįtikėtiną 6 x 1051 kg, 1/20 visos barioninės medžiagos masės, ir nuolatos didėti. Jo augimas gali lemti vis spartesnį erdvėlaikio plėtimąsi ir pasireikšti kaip spartėjantis Visatos plėtimasis.

Žinoma, tokios ciklopinės masės buvimas turėtų lemti pastebimų nehomogeniškumų atsiradimą didelio masto Visatos struktūroje. Jau yra kandidatas į tokį nevienalytiškumą – astronominė blogio ašis. Tai gana silpni, bet labai nerimą keliantys Visatos anizotropijos – struktūros, kuri joje pasireiškia didžiausiais masteliais ir niekaip nesutinka su klasikinėmis pažiūromis į Didįjį sprogimą ir viską, kas įvyko po jo – ženklai.

Be to, egzotiška hipotezė įsmina ir kitą astronominę mįslę – netikėtai ankstyvo supermasyvių juodųjų skylių atsiradimo problemą. Tokie objektai yra didelių galaktikų centruose ir nežinomomis priemonėmis sugebėjo priaugti milijonų ir net milijardų Saulės masių jau per pirmuosius 1-2 milijardus Visatos egzistavimo metų. Neaišku, kur jie iš principo galėtų rasti tiek daug medžiagos, o tuo labiau, kai turėtų laiko ją įsisavinti. Tačiau „paveldėtų“juodųjų skylių idėjos rėmuose šie klausimai pašalinami, nes jų embrionai galėjo patekti pas mus iš praeities Visatos.

Gaila, kad ekstravagantiška Gorkavy hipotezė tebėra hipotezė. Kad ji taptų visaverte teorija, būtina, kad jos prognozės sutaptų su stebėjimo duomenimis – ir su tokiais, kurių negalima paaiškinti tradiciniais modeliais. Žinoma, būsimi tyrimai leis palyginti fantastiškus skaičiavimus su realybe, tačiau to, aišku, artimiausiu metu nebus. Todėl, nors klausimai apie tai, kur paslėpta tamsioji medžiaga ir kas yra tamsioji energija, lieka neatsakyti.