Neviditeľná „tmavá hmota“vo vesmíre núti galaxie, aby sa vyvíjali

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

Čím dlhšie zostáva záhada temnej hmoty nevyriešená, tým exotickejšie hypotézy o jej povahe sa objavujú, vrátane najnovšej myšlienky o dedičnosti obrovských čiernych dier z predchádzajúceho vesmíru.

Na to, aby sme vedeli, že niečo existuje, nie je potrebné to vidieť. Kedysi teda boli podľa gravitačného vplyvu na pohyb Uránu objavené Neptún a Pluto a dnes prebieha pátranie po hypotetickej Planéte X na ďalekom okraji slnečnej sústavy. Ale čo ak takýto vplyv nájdeme všade vo vesmíre? Vezmite si napríklad galaxie. Zdalo by sa, že ak sa galaktický disk otáča, rýchlosť hviezd by sa mala s rastúcou obežnou dráhou znižovať. To je napríklad prípad planét slnečnej sústavy: Zem sa rúti okolo Slnka rýchlosťou 29,8 km / s a Pluto - 4,7 km / s. Už v 30. rokoch však pozorovania hmloviny Andromeda ukázali, že rýchlosť rotácie jej hviezd zostáva takmer konštantná, bez ohľadu na to, ako ďaleko na periférii sa nachádzajú. Táto situácia je typická pre galaxie a okrem iného viedla k vzniku konceptu temnej hmoty.

Karneval problémov

Predpokladá sa, že to nevidíme priamo: táto tajomná látka prakticky neinteraguje s bežnými časticami, vrátane nevyžaruje ani neabsorbuje fotóny, ale môžeme si ju všimnúť gravitačným účinkom na iné telá. Pozorovania pohybov hviezd a oblakov plynu umožňujú zostaviť podrobné mapy halo temnej hmoty obklopujúce disk Mliečnej dráhy, hovoriac o dôležitej úlohe, ktorú zohráva vo vývoji galaxií, kôp a celého veľkého rozsahu. štruktúra Vesmíru. Začínajú však ďalšie ťažkosti. Čo je to za tajomnú temnú hmotu? Z čoho pozostáva a aké vlastnosti majú jeho častice?

Po mnoho rokov boli hlavnými kandidátmi na túto úlohu WIMP – hypotetické častice, ktoré nie sú schopné podieľať sa na žiadnych iných interakciách ako gravitačných. Snažia sa ich odhaliť tak nepriamo, prostredníctvom produktov zriedkavých interakcií s bežnou hmotou, ako aj priamo pomocou výkonných prístrojov, vrátane Veľkého hadrónového urýchľovača. Bohužiaľ, v oboch prípadoch neexistujú žiadne výsledky.

„Scenár, v ktorom LHC nájde iba Higgsov bozón a nič iné, sa z nejakého dôvodu nazýva „scenár nočnej mory“, hovorí Sabine Hossenfelder, profesorka z Frankfurtskej univerzity. "Skutočnosť, že sa nenašli žiadne známky novej fyziky, mi slúži ako jednoznačný signál: niečo tu nie je v poriadku." Tento signál zachytili aj ďalší vedci. Po zverejnení negatívnych výsledkov pátrania po stopách tmavej hmoty pomocou LHC a iných prístrojov jednoznačne rastie záujem o alternatívne hypotézy o jej povahe. A niektoré z týchto riešení vyzerajú ešte exotickejšie ako brazílsky karneval.

Nespočetné množstvo dier

Čo ak WIMP neexistujú? Ak je temná hmota hmotou, ktorú nevidíme, ale vidíme účinky jej gravitácie, možno sú to len čierne diery? Teoreticky sa v najskorších štádiách vývoja vesmíru mohli sformovať v obrovskom počte – nie z mŕtvych obrích hviezd, ale v dôsledku kolapsu superhustej a horúcej hmoty, ktorá vypĺňala rozžeravený priestor. Jeden problém: doteraz sa nenašla ani jedna prvotná čierna diera a nie je isté, či vôbec niekedy existovali. Vo vesmíre je však dostatok iných čiernych dier, ktoré sú vhodné pre túto úlohu.

Pozorovania vzdialenej vesmírnej sondy Voyager 1 neodhalili žiadne stopy Hawkingovho žiarenia, ktoré by mohli naznačovať výskyt prvotných čiernych dier mikroskopickej veľkosti. To však nevylučuje existenciu väčších podobných objektov. Od roku 2015 interferometer LIGO zaregistroval už 11 gravitačných vĺn a 10 z nich bolo spôsobených zlúčením párov čiernych dier s hmotnosťou desiatok hmotností Slnka. To je samo o sebe mimoriadne neočakávané, pretože takéto objekty vznikajú v dôsledku výbuchov supernov a zosnulá hviezda pri tom stráca väčšinu svojej hmoty. Ukazuje sa, že predchodcami zlúčených dier boli hviezdy skutočne kyklopských veľkostí, ktoré sa vo vesmíre už dávno nemali narodiť. Ďalším problémom je vytváranie binárnych systémov nimi. Výbuch supernovy je udalosť taká silná, že akýkoľvek blízky predmet bude odmrštený ďaleko. Inými slovami, LIGO zachytilo gravitačné vlny z objektov, ktorých vzhľad zostáva záhadou.

Koncom roka 2018 sa k takýmto objektom priblížil astrofyzik Greenwichského inštitútu vedy a techniky Nikolaj Gorkavy a nositeľ Nobelovej ceny John Mather. Ich výpočty ukázali, že čierne diery s hmotnosťou desiatok hmôt Slnka by mohli sčítať galaktické halo, ktoré by zostalo pre pozorovanie prakticky neviditeľné a zároveň by vytváralo všetky charakteristické anomálie v štruktúre a pohybe galaxií. Zdalo by sa, odkiaľ na vzdialenom okraji galaxie pochádza potrebný počet takýchto veľkých čiernych dier? Koniec koncov, veľká väčšina masívnych hviezd sa rodí a umiera bližšie k stredu. Odpoveď Gorkavyho a Mathera je takmer neuveriteľná: tieto čierne diery „neprišli“, v určitom zmysle existovali vždy, od samého počiatku vesmíru. Sú to pozostatky predchádzajúceho cyklu v nekonečnom slede expanzií a kontrakcií sveta.

Plná čiara znázorňuje skutočnú obežnú rýchlosť hviezd a plynu obiehajúcich okolo stredu galaxie; bodkovaný - očakávaný pri absencii vplyvu tmavej hmoty.

Relikvie znovuzrodenia

Vo všeobecnosti, Big Bounce nie je novým modelom v kozmológii, aj keď nie je dokázaný, existujúci na rovnakej úrovni ako mnohé iné hypotézy o vývoji vesmíru. Je možné, že v živote vesmíru sú obdobia expanzie skutočne nahradené kontrakciou, „veľkým kolapsom“– a novým odrazom-výbuchom, zrodom sveta ďalšej generácie. V novom modeli sú však tieto cykly vedené čiernymi dierami, ktoré pôsobia ako temná hmota aj temná energia – záhadná látka alebo sila spôsobujúca zrýchlené rozpínanie nášho vesmíru.

Predpokladá sa, že pohlcovaním hmoty a vzájomným splývaním môžu čierne diery akumulovať stále viac z celkovej hmoty Vesmíru. To by malo viesť k spomaleniu jeho expanzie a následne k kontrakcii. Na druhej strane, keď sa čierne diery spoja, značná časť ich hmoty sa stratí energiou gravitačných vĺn. Preto bude výsledná diera ľahšia ako súčet jej bývalých členov (napríklad prvá gravitačná vlna zaznamenaná LIGO sa zrodila, keď sa čierne diery s hmotnosťou 36 a 29 Slnka spojili s vytvorením diery s hmotnosťou „iba 62 hmotností Slnka). Vesmír teda môže stratiť aj hmotnosť, zmršťovať sa a napĺňať stále väčšími čiernymi dierami, vrátane jednej z najväčších – centrálnej.

Nakoniec, po dlhej sérii splynutí čiernych dier, keď značná časť hmoty Vesmíru „unikne“v podobe gravitačných vĺn, sa začne rozptyľovať na všetky strany. Zvonku to bude vyzerať ako výbuch – Veľký tresk. Na rozdiel od klasického obrázku Big Rebound nedochádza v takomto modeli k úplnému zničeniu predchádzajúceho sveta a nový vesmír priamo zdedí niektoré objekty od rodiča. V prvom rade sú to všetky tie isté čierne diery, pripravené opäť v nich hrať obe hlavné úlohy – temnú hmotu aj temnú energiu.

Skvelá predok

Takže na tomto nezvyčajnom obrázku sa temná hmota ukazuje ako veľké čierne diery, ktoré sa dedia z vesmíru do vesmíru. Netreba však zabúdať ani na „centrálnu“čiernu dieru, ktorá by mala v každom takomto svete vzniknúť v predvečer jeho smrti a pretrvať v ďalšom. Výpočty astrofyzikov ukázali, že jeho hmotnosť v našom dnešnom priestore môže dosiahnuť neuveriteľných 6 x 1051 kg, čo je 1/20 hmotnosti všetkej baryonickej hmoty, a neustále narastať. Jeho rast môže viesť k stále rýchlejšiemu rozpínaniu časopriestoru a prejavovať sa ako zrýchľujúce sa rozpínanie Vesmíru.

Prítomnosť takejto kyklopskej hmoty by samozrejme mala viesť k objaveniu sa viditeľných nehomogenít v rozsiahlej štruktúre vesmíru. Na takúto heterogenitu už existuje kandidát – astronomická Os zla. Ide o pomerne slabé, no veľmi alarmujúce znaky anizotropie Vesmíru – štruktúry, ktorá sa v ňom prejavuje na najväčších mierkach a nijako sa nezhoduje s klasickými názormi na Veľký tresk a všetko, čo sa po ňom dialo.

Cestou exotická hypotéza rieši aj ďalšiu astronomickú hádanku – problém nečakane skorého objavenia sa supermasívnych čiernych dier. Takéto objekty sa nachádzajú v centrách veľkých galaxií a neznámymi prostriedkami sa im podarilo získať hmotnosť v miliónoch a dokonca miliardách slnečných hmôt už počas prvých 1-2 miliárd rokov existencie vesmíru. Nie je jasné, kde by v zásade mohli nájsť toľko látky, a ešte viac, kedy by mohli mať čas ju absorbovať. No v rámci myšlienky s „zdedenými“čiernymi dierami sú tieto otázky odstránené, pretože ich embryá sa k nám mohli dostať z minulého Vesmíru.

Škoda, že extravagantná Gorkavyho hypotéza je stále len hypotézou. Aby sa z nej stala plnohodnotná teória, je potrebné, aby sa jej predpovede zhodovali s pozorovacími údajmi – a s takými, ktoré nemožno vysvetliť tradičnými modelmi. Budúci výskum samozrejme umožní porovnať fantastické výpočty s realitou, ale to sa v blízkej budúcnosti zjavne nestane. Preto, zatiaľ čo otázky o tom, kde sa skrýva temná hmota a čo je temná energia, zostávajú nezodpovedané.