Näkymätön "pimeä aine" avaruudessa pakottaa galakseja kehittymään

2024 Kirjoittaja: Seth Attwood | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-16 16:04

Mitä kauemmin pimeän aineen mysteeri on ratkaisematta, sitä eksoottisempia hypoteeseja sen luonteesta ilmaantuu, mukaan lukien uusin ajatus jättimäisten mustien aukkojen perinnöstä edellisestä universumista.

Tietääkseen, että jotain on olemassa, sitä ei tarvitse nähdä. Joten kerran, Uranuksen liikkeisiin kohdistuvan gravitaatiovaikutuksen mukaan, Neptunus ja Pluto löydettiin, ja tänään on käynnissä hypoteettisen planeetan X etsintä aurinkokunnan kaukaisella laidalla. Mutta entä jos löydämme tällaisen vaikutuksen kaikkialta universumista? Otetaan esimerkiksi galaksit. Vaikuttaa siltä, että jos galaktinen kiekko pyörii, tähtien nopeuden pitäisi laskea kiertoradan kasvaessa. Tämä pätee esimerkiksi aurinkokunnan planeetoihin: Maa kiertää Auringon nopeudella 29,8 km / s ja Pluto - 4,7 km / s. Kuitenkin jo 1930-luvulla Andromedan sumun havainnot osoittivat, että sen tähtien pyörimisnopeus pysyy lähes vakiona riippumatta siitä, kuinka kaukana ne ovat. Tämä tilanne on tyypillinen galakseille, ja muun muassa se johti pimeän aineen käsitteen syntymiseen.

Ongelmien karnevaali

Uskotaan, että emme näe sitä suoraan: tämä salaperäinen aine ei käytännössä ole vuorovaikutuksessa tavallisten hiukkasten kanssa, mukaan lukien se ei emittoi tai absorboi fotoneja, mutta voimme havaita sen gravitaatiovaikutuksen perusteella muihin kappaleisiin. Tähtien ja kaasupilvien liikkeiden havainnointi mahdollistaa yksityiskohtaisten karttojen laatimisen Linnunradan kiekkoa ympäröivästä pimeän aineen halosta, jotka kertovat sen tärkeästä roolista galaksien, klusterien ja koko suuren mittakaavan kehityksessä. universumin rakennetta. Vaikeudet alkavat kuitenkin lisää. Mikä tämä salaperäinen pimeä aine on? Mistä se koostuu ja mitä ominaisuuksia sen hiukkasilla on?

Useiden vuosien ajan WIMP:t ovat olleet tärkeimmät ehdokkaat tähän rooliin - hypoteettiset hiukkaset, jotka eivät pysty osallistumaan mihinkään muuhun vuorovaikutukseen kuin gravitaatioon. He yrittävät havaita niitä sekä epäsuorasti, harvinaisten vuorovaikutusten tuloksena tavallisen aineen kanssa, että suoraan käyttämällä tehokkaita instrumentteja, mukaan lukien Large Hadron Collider. Valitettavasti molemmissa tapauksissa ei ole tuloksia.

"Skenaariota, jossa LHC löytää vain Higgsin bosonin eikä mitään muuta, on syystäkin kutsuttu painajaisskenaarioksi", sanoo Sabine Hossenfelder, professori Frankfurtin yliopistosta. "Se, että merkkejä uudesta fysiikasta ei löytynyt, on minulle yksiselitteinen merkki: tässä on jotain vialla." Myös muut tutkijat havaitsivat tämän signaalin. Pimeän aineen jälkien LHC:n ja muiden instrumenttien haun negatiivisten tulosten julkaisemisen jälkeen kiinnostus vaihtoehtoisia hypoteeseja sen luonteesta on selvästi kasvamassa. Ja jotkut näistä ratkaisuista näyttävät vieläkin eksoottisemmilta kuin Brasilian karnevaalit.

Lukemattomia reikiä

Entä jos WIMP:itä ei ole olemassa? Jos pimeä aine on ainetta, jota emme näe, mutta näemme sen painovoiman vaikutukset, niin ehkä ne ovat vain mustia aukkoja? Teoriassa universumin evoluution alkuvaiheessa niitä olisi voinut muodostua valtavia määriä - ei kuolleista jättiläistähdistä, vaan hehkuavaruuden täyttäneen supertiheän ja kuuman aineen romahtamisen seurauksena. Yksi ongelma: toistaiseksi ei ole löydetty ainuttakaan alkuperäistä mustaa aukkoa, eikä varmuudella tiedetä, onko niitä koskaan ollut olemassa. Universumissa on kuitenkin tarpeeksi muita tähän rooliin sopivia mustia aukkoja.

Kaukana sijaitsevan Voyager 1 -avaruusluotaimen havainnot eivät paljastaneet jälkeäkään Hawkingin säteilystä, mikä voisi viitata mikroskooppisen kokoisten ikimustien aukkojen ilmaantuvuuteen. Tämä ei kuitenkaan sulje pois suurempien samankaltaisten esineiden olemassaoloa. Vuodesta 2015 lähtien LIGO-interferometri on rekisteröinyt jo 11 gravitaatioaaltoa, joista 10 aiheutui mustien aukkojen parien sulautumisesta, joiden massat ovat kymmeniä aurinkomassoja. Tämä on sinänsä äärimmäisen odottamatonta, koska sellaisia esineitä syntyy supernovaräjähdyksen seurauksena ja kuollut tähti menettää suurimman osan massastaan prosessissa. Osoittautuu, että yhdistyneiden reikien esiasteet olivat todella sykloopin kokoisia tähtiä, joiden ei olisi pitänyt syntyä universumissa pitkään aikaan. Toinen ongelma syntyy, kun ne muodostavat binäärijärjestelmiä. Supernovaräjähdys on niin voimakas tapahtuma, että mikä tahansa lähellä oleva esine sinkoutuu kauas. Toisin sanoen LIGO on havainnut esineistä gravitaatioaaltoja, joiden ulkonäkö on edelleen mysteeri.

Vuoden 2018 lopussa tällaisia kohteita lähestyivät Greenwichin tiede- ja teknologiainstituutin astrofyysikko Nikolai Gorkavy ja Nobel-palkittu John Mather. Heidän laskelmansa osoittivat, että mustat aukot, joiden massat ovat kymmeniä aurinkomassoja, voisivat hyvinkin muodostaa galaktisen halon, joka jäisi käytännössä näkymättömäksi havainnointia varten ja samalla aiheuttaisi kaikki tyypilliset poikkeavuudet galaksien rakenteessa ja liikkeessä. Näyttäisi siltä, mistä galaksin kaukaisesta reunasta on peräisin tarvittava määrä niin suuria mustia aukkoja? Loppujen lopuksi suurin osa massiivisista tähdistä syntyy ja kuolee lähempänä keskustaa. Gorkavyn ja Matherin antama vastaus on melkein uskomaton: näitä mustia aukkoja ei "tulnut", tietyssä mielessä ne ovat olleet olemassa aina, maailmankaikkeuden alusta asti. Nämä ovat edellisen syklin jäänteitä loputtomassa maailman laajenemisen ja supistumisen sarjassa.

Kiinteä viiva osoittaa galaksin keskustaa kiertävien tähtien ja kaasun todellisen kiertoradan; pilkullinen - odotettavissa pimeän aineen vaikutuksen puuttuessa.

Uudelleensyntymisen jäänteitä

Yleisesti ottaen Big Bounce ei ole uusi malli kosmologiassa, vaikkakaan ei todistettu, mutta se on olemassa monien muiden kosmoksen evoluutiota koskevien hypoteesien kanssa. On mahdollista, että universumin elämässä laajenemisjaksot todellakin korvataan supistumisella, "Big Collapsella" - ja uudella pomppi-räjähdyksellä, seuraavan sukupolven maailman syntymällä. Uudessa mallissa näitä syklejä kuitenkin johtavat mustat aukot, jotka toimivat sekä pimeänä aineena että pimeänä energiana - salaperäisenä aineena tai voimana, joka aiheuttaa universumimme kiihtyneen laajenemisen.

Oletetaan, että absorboimalla ainetta ja sulautumalla toisiinsa, mustat aukot voivat kerääntyä yhä enemmän maailmankaikkeuden kokonaismassasta. Tämän pitäisi johtaa sen laajentumisen hidastumiseen ja sitten supistumiseen. Toisaalta, kun mustat aukot sulautuvat yhteen, merkittävä osa niiden massasta menetetään gravitaatioaaltojen energian mukana. Siksi tuloksena oleva reikä on kevyempi kuin aikaisempien ehtojensa summa (esimerkiksi LIGO:n rekisteröimä ensimmäinen gravitaatioaalto syntyi, kun 36 ja 29 aurinkomassan mustat aukot sulautuvat ja muodostuu aukko, jonka massa on "vain " "62 auringon massaa). Joten maailmankaikkeus voi myös menettää massaa, supistuen ja täyttyen yhä suuremmilla mustilla aukoilla, mukaan lukien yksi suurimmista - keskeinen.

Lopulta pitkän mustien aukkojen fuusioiden sarjan jälkeen, kun merkittävä osa maailmankaikkeuden massasta "vuotaa" gravitaatioaaltojen muodossa, se alkaa hajota kaikkiin suuntiin. Ulkopuolelta se näyttää räjähdykseltä - Big Bang. Toisin kuin klassisessa Big Rebound -kuvassa, edellisen maailman täydellistä tuhoa ei tapahdu tällaisessa mallissa, ja uusi universumi perii osan objekteista suoraan vanhemmalta. Ensinnäkin nämä ovat kaikki samoja mustia aukkoja, jotka ovat jälleen valmiita pelaamaan siinä molemmat pääroolit - sekä pimeää ainetta että pimeää energiaa.

Suuri esiäiti

Joten tässä epätavallisessa kuvassa pimeä aine osoittautuu suuriksi mustiksi aukoksi, jotka periytyvät maailmankaikkeudesta universumiin. Mutta emme saa unohtaa "keskistä" mustaa aukkoa, jonka pitäisi muodostua jokaiseen sellaiseen maailmaan kuolemansa aattona ja jatkua seuraavassa. Astrofyysikkojen laskelmat ovat osoittaneet, että sen massa nykyisessä avaruudessamme voi saavuttaa uskomattomat 6 x 1051 kg, 1/20 kaiken baryonisen aineen massasta ja kasvaa jatkuvasti. Sen kasvu voi johtaa aika-avaruuden yhä nopeampaan laajenemiseen ja ilmentää maailmankaikkeuden kiihtyvänä laajenemisena.

Tietysti tällaisen sykloopin massan läsnäolon pitäisi johtaa havaittavien epähomogeenisuuksien ilmaantuvuuteen maailmankaikkeuden laajamittaisessa rakenteessa. Ehdokas sellaiseen heterogeenisyyteen on jo olemassa - tähtitieteellinen pahan akseli. Nämä ovat suhteellisen heikkoja, mutta erittäin hälyttäviä merkkejä maailmankaikkeuden anisotropiasta - rakenteesta, joka ilmenee siinä suurimmassa mittakaavassa ja ei millään tavalla ole samaa mieltä klassisten näkemysten kanssa alkuräjähdyksestä ja kaikesta, mitä sen jälkeen tapahtui.

Matkan varrella eksoottinen hypoteesi ratkaisee myös toisen tähtitieteellisen arvoituksen - supermassiivisten mustien aukkojen odottamattoman varhaisen ilmaantumisen ongelman. Tällaiset kohteet sijaitsevat suurten galaksien keskuksissa ja onnistuivat tuntemattomilla tavoilla saavuttamaan miljoonien ja jopa miljardien auringon massojen jo universumin olemassaolon ensimmäisten 1-2 miljardin vuoden aikana. On epäselvää, mistä he periaatteessa voisivat löytää niin paljon ainetta, ja vielä enemmän, kun heillä olisi aikaa imeä sitä. Mutta "perittyjen" mustien aukkojen idean puitteissa nämä kysymykset poistetaan, koska niiden alkiot olisivat voineet päästä meille menneestä universumista.

On sääli, että Gorkavyn ylenpalttinen hypoteesi on edelleen vain hypoteesi. Jotta siitä tulisi täysimittainen teoria, on välttämätöntä, että sen ennusteet vastaavat havainnointitietoja - ja sellaisia, joita ei voida selittää perinteisillä malleilla. Tietysti tulevaisuuden tutkimus antaa mahdollisuuden verrata fantastisia laskelmia todellisuuteen, mutta tämä ei tietenkään tapahdu lähitulevaisuudessa. Siksi, vaikka kysymykset siitä, missä pimeä aine on piilotettu ja mikä pimeä energia on, jäävät vastaamatta.