Neredzamā "tumšā matērija" kosmosā liek galaktikām attīstīties

2024 Autors: Seth Attwood | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-16 16:11

Jo ilgāk tumšās matērijas noslēpums paliek neatklāts, jo eksotiskākas hipotēzes par tās būtību parādās, tostarp jaunākā ideja par milzu melno caurumu pārmantošanu no iepriekšējā Visuma.

Lai zinātu, ka kaut kas eksistē, tas nav jāredz. Tātad kādreiz, saskaņā ar gravitācijas ietekmi uz Urāna kustību, tika atklāts Neptūns un Plutons, un šodien tiek meklēta hipotētiska planēta X Saules sistēmas tālākajā nomalē. Bet ko tad, ja mēs atrodam šādu ietekmi visur Visumā? Ņemiet, piemēram, galaktikas. Šķiet, ka, ja galaktikas disks griežas, zvaigžņu ātrumam vajadzētu samazināties, palielinoties orbītai. Tā, piemēram, ir Saules sistēmas planētas: Zeme ap Sauli skrien ar ātrumu 29,8 km/s, bet Plutons – ar ātrumu 4,7 km/s. Taču jau 30. gados Andromedas miglāja novērojumi liecināja, ka tā zvaigžņu griešanās ātrums saglabājas gandrīz nemainīgs neatkarīgi no tā, cik tālu tās atrodas perifērijā. Šī situācija ir raksturīga galaktikām, un cita starpā tā noveda pie tumšās matērijas jēdziena.

Problēmu karnevāls

Tiek uzskatīts, ka mēs to neredzam tieši: šī noslēpumainā viela praktiski nesadarbojas ar parastajām daļiņām, tostarp neizdala un neuzsūc fotonus, bet mēs to varam pamanīt pēc gravitācijas ietekmes uz citiem ķermeņiem. Zvaigžņu un gāzu mākoņu kustības novērojumi ļauj sastādīt detalizētas tumšās matērijas oreola kartes, kas ieskauj Piena Ceļa disku, runājot par tās svarīgo lomu galaktiku, kopu un visa liela mēroga evolūcijā. Visuma uzbūve. Tomēr sākas turpmākas grūtības. Kas ir šī noslēpumainā tumšā viela? No kā tas sastāv un kādas īpašības piemīt tā daļiņām?

Daudzus gadus WIMP ir bijuši galvenie kandidāti šai lomai - hipotētiskas daļiņas, kas nespēj piedalīties nevienā mijiedarbībā, izņemot gravitāciju. Viņi mēģina tos atklāt gan netieši, izmantojot retas mijiedarbības produktus ar parasto vielu, gan tieši, izmantojot spēcīgus instrumentus, tostarp lielo hadronu paātrinātāju. Diemžēl abos gadījumos rezultātu nav.

"Scenārijs, kurā LHC atrod tikai Higsa bozonu un neko citu, ir iemesla dēļ saukts par" murga scenāriju", saka Frankfurtes universitātes profesore Sabīne Hosenfeldere. "Tas, ka netika atrastas jaunas fizikas pazīmes, man kalpo kā nepārprotams signāls: šeit kaut kas nav kārtībā." Šo signālu uzņēma arī citi zinātnieki. Pēc tumšās vielas pēdu meklējumu negatīvo rezultātu publicēšanas, izmantojot LHC un citus instrumentus, interese par alternatīvām hipotēzēm par tās būtību acīmredzami pieaug. Un daži no šiem risinājumiem izskatās vēl eksotiskāki nekā Brazīlijas karnevāls.

Neskaitāmi caurumi

Ko darīt, ja WIMP nepastāv? Ja tumšā matērija ir matērija, kuru mēs neredzam, bet mēs redzam tās gravitācijas ietekmi, tad varbūt tie ir tikai melnie caurumi? Teorētiski Visuma evolūcijas agrīnajos posmos tie varēja veidoties milzīgā daudzumā - nevis no mirušām milzu zvaigznēm, bet gan superblīvās un karstās matērijas sabrukšanas rezultātā, kas piepildīja kvēlojošo telpu. Viena problēma: līdz šim nav atrasts neviens pirmatnējais melnais caurums, un nav droši zināms, vai tie vispār pastāvējuši. Tomēr Visumā ir pietiekami daudz citu melno caurumu, kas ir piemēroti šai lomai.

Attālās kosmosa zondes Voyager 1 novērojumos netika atklātas Hokinga starojuma pēdas, kas varētu liecināt par mikroskopiska izmēra pirmatnējo melno caurumu parādīšanos. Tomēr tas neizslēdz lielāku līdzīgu objektu esamību. Kopš 2015. gada LIGO interferometrs jau ir reģistrējis 11 gravitācijas viļņus, un 10 no tiem izraisīja melno caurumu pāru saplūšana ar desmitiem Saules masu masām. Tas pats par sevi ir ārkārtīgi negaidīti, jo šādi objekti veidojas supernovas sprādzienu rezultātā, un mirušā zvaigzne šajā procesā zaudē lielāko daļu savas masas. Izrādās, ka sapludināto caurumu priekšteči bija patiešām ciklopiska izmēra zvaigznes, kurām Visumā sen nevajadzēja piedzimt. Vēl vienu problēmu rada to bināro sistēmu veidošanās. Supernovas sprādziens ir tik spēcīgs notikums, ka jebkurš tuvs objekts tiks aizmests tālu prom. Citiem vārdiem sakot, LIGO ir atklājis gravitācijas viļņus no objektiem, kuru izskats joprojām ir noslēpums.

2018. gada nogalē pie šādiem objektiem vērsās Griničas Zinātnes un tehnoloģiju institūta astrofiziķis Nikolajs Gorkavijs un Nobela prēmijas laureāts Džons Maters. Viņu aprēķini parādīja, ka melnie caurumi ar masām desmitiem Saules masu varētu labi izveidot galaktisko halo, kas paliktu praktiski neredzams novērošanai un tajā pašā laikā radītu visas raksturīgās anomālijas galaktiku struktūrā un kustībā. Šķiet, kur galaktikas tālajā perifērijā ir vajadzīgs tik lielu melno caurumu skaits? Galu galā lielākā daļa masīvo zvaigžņu dzimst un mirst tuvāk centram. Gorkavy un Mather sniegtā atbilde ir gandrīz neticama: šie melnie caurumi "nenāca", savā ziņā tie ir pastāvējuši vienmēr, no pašiem Visuma pirmsākumiem. Tās ir iepriekšējā cikla paliekas nebeidzamā pasaules izplešanās un saraušanās secībā.

Cietā līnija parāda zvaigžņu un gāzu reālo orbītas ātrumu, kas riņķo ap galaktikas centru; punktēts - paredzēts, ja nav tumšās vielas ietekmes.

Atdzimšanas relikvijas

Kopumā Big Bounce nav jauns modelis kosmoloģijā, kaut arī nav pierādīts, bet pastāv līdzvērtīgi daudzām citām kosmosa evolūcijas hipotēzēm. Iespējams, ka Visuma dzīvē izplešanās periodus patiešām nomaina saraušanās, "Lielais sabrukums" - un jauns atlēciens-sprādziens, nākamās paaudzes pasaules dzimšana. Tomēr jaunajā modelī šos ciklus vada melnie caurumi, kas darbojas gan kā tumšā viela, gan kā tumšā enerģija - noslēpumaina viela vai spēks, kas izraisa mūsu Visuma paātrināto izplešanos.

Tiek pieņemts, ka, absorbējot vielu un saplūstot vienam ar otru, melnie caurumi var uzkrāties arvien vairāk no Visuma kopējās masas. Tam vajadzētu izraisīt tā paplašināšanās palēnināšanos un pēc tam saraušanos. Savukārt, melnajiem caurumiem saplūstot, ievērojama to masas daļa tiek zaudēta ar gravitācijas viļņu enerģiju. Tāpēc iegūtais caurums būs vieglāks par tā iepriekšējo terminu summu (piemēram, pirmais LIGO reģistrētais gravitācijas vilnis radās, kad melnie caurumi ar 36 un 29 saules masu saplūst ar caurumu, kura masa ir tikai 62 saules masas). Tātad Visums var arī zaudēt masu, saraujoties un piepildoties ar arvien lielākiem melnajiem caurumiem, tostarp vienu no lielākajiem – centrālo.

Visbeidzot, pēc ilgas melno caurumu saplūšanas sērijas, kad gravitācijas viļņu veidā "izplūst" ievērojama Visuma masas daļa, tā sāks izkliedēties visos virzienos. No ārpuses tas izskatīsies pēc sprādziena – Lielā sprādziena. Atšķirībā no klasiskā Lielā atsitiena attēla šādā modelī iepriekšējās pasaules pilnīga iznīcināšana nenotiek, un jaunais Visums tieši manto dažus objektus no vecākiem. Pirmkārt, tie visi ir vieni un tie paši melnie caurumi, kas atkal gatavi tajā spēlēt abas galvenās lomas - gan tumšo vielu, gan tumšo enerģiju.

Lieliska priekšmāte

Tātad šajā neparastajā attēlā tumšā matērija izrādās lieli melni caurumi, kas tiek mantoti no Visuma uz Visumu. Bet mēs nedrīkstam aizmirst par "centrālo" melno caurumu, kam katrā šādā pasaulē vajadzētu veidoties tās nāves priekšvakarā un pastāvēt nākamajā. Astrofiziķu aprēķini ir parādījuši, ka tā masa mūsu mūsdienu telpā var sasniegt neticami 6 x 1051 kg, kas ir 1/20 no visas barionu vielas masas, un nepārtraukti pieaug. Tā augšana var novest pie arvien straujākas telpas-laika paplašināšanās un izpausties kā paātrināta Visuma izplešanās.

Protams, šādas ciklopa masas klātbūtnei vajadzētu novest pie ievērojamu neviendabīgumu parādīšanās Visuma liela mēroga struktūrā. Šādai neviendabībai jau ir kandidāts - astronomiskā ļaunuma ass. Tās ir salīdzinoši vājas, taču ļoti satraucošas Visuma anizotropijas pazīmes – struktūra, kas tajā izpaužas vislielākos mērogos un nekādi nesaskan ar klasiskajiem uzskatiem par Lielo sprādzienu un visu, kas notika pēc tā.

Pa ceļam eksotiskā hipotēze atrisina arī citu astronomisku mīklu - supermasīvo melno caurumu negaidīti agrīnās parādīšanās problēmu. Šādi objekti atrodas lielu galaktiku centros un ar nezināmiem līdzekļiem spēja iegūt masu miljonos un pat miljardos Saules masu jau pirmajos 1-2 miljardus Visuma pastāvēšanas gadu. Nav skaidrs, kur viņi principā varētu atrast tik daudz vielas, un vēl jo vairāk tad, kad viņiem būtu laiks to absorbēt. Taču idejas ar "mantotajiem" melnajiem caurumiem ietvaros šie jautājumi tiek izņemti, jo to embriji varēja nonākt pie mums no pagātnes Visuma.

Žēl, ka Gorkavija ekstravagantā hipotēze joprojām ir tikai hipotēze. Lai tā kļūtu par pilnvērtīgu teoriju, ir nepieciešams, lai tās prognozes sakristu ar novērojumu datiem - un ar tādiem, ko nevar izskaidrot ar tradicionālajiem modeļiem. Protams, turpmākie pētījumi ļaus salīdzināt fantastiskos aprēķinus ar realitāti, taču tas acīmredzot nenotiks tuvākajā laikā. Tāpēc, lai gan jautājumi par to, kur slēpjas tumšā matērija un kas ir tumšā enerģija, paliek neatbildēti.