Kosmoses leiduv nähtamatu "tumeaine" sunnib galaktikaid arenema

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-16 16:03

Mida kauem tumeaine müsteerium jääb lahendamata, seda eksootilisemad hüpoteesid selle olemuse kohta ilmuvad, sealhulgas uusim idee hiiglaslike mustade aukude pärandusest eelmisest universumist.

Selleks, et teada saada, et miski on olemas, pole vaja seda näha. Kunagi avastati Uraani liikumise gravitatsioonilise mõju järgi Neptuun ja Pluuto ning tänapäeval otsitakse Päikesesüsteemi kaugemal äärealal hüpoteetilist planeeti X. Aga mis siis, kui leiame sellise mõju kõikjal universumis? Võtame näiteks galaktikad. Näib, et kui galaktiline ketas pöörleb, peaks tähtede kiirus orbiidi suurenemisega vähenema. See kehtib näiteks Päikesesüsteemi planeetide kohta: Maa tormab ümber Päikese kiirusega 29,8 km / s ja Pluuto - 4,7 km / s. Kuid juba 1930. aastatel näitasid Andromeeda udukogu vaatlused, et selle tähtede pöörlemiskiirus jääb peaaegu muutumatuks, olenemata sellest, kui kaugel perifeerias nad asuvad. Selline olukord on tüüpiline galaktikate jaoks ja muuhulgas tõi see kaasa tumeaine mõiste tekkimise.

Probleemide karneval

Arvatakse, et me seda otseselt ei näe: see salapärane aine tavaliste osakestega praktiliselt ei interakteeru, sh ei kiirga ega neela footoneid, küll aga võime seda märgata gravitatsioonilise mõju järgi teistele kehadele. Tähtede ja gaasipilvede liikumise vaatlused võimaldavad koostada Linnutee ketast ümbritseva tumeaine halo üksikasjalikke kaarte, mis räägivad selle olulisest rollist galaktikate, parvede ja kogu suuremahulise evolutsioonis. Universumi struktuur. Siiski algavad edasised raskused. Mis on see salapärane tumeaine? Millest see koosneb ja millised omadused on selle osakestel?

Aastaid on selle rolli peamised kandidaadid olnud WIMP-id – hüpoteetilised osakesed, mis ei suuda osaleda üheski muus interaktsioonis peale gravitatsiooni. Nad püüavad neid tuvastada nii kaudselt, harvaesinevate interaktsioonide tulemusena tavalise ainega, kui ka otse, kasutades võimsaid instrumente, sealhulgas suurt hadronite põrkeseadet. Kahjuks pole mõlemal juhul tulemusi.

"Stsenaariumit, mille kohaselt LHC leiab ainult Higgsi bosoni ja mitte midagi muud, on põhjusega nimetatud "õudusunenäo stsenaariumiks", " ütleb Frankfurdi ülikooli professor Sabine Hossenfelder. "Asjaolu, et uue füüsika märke ei leitud, on mulle ühemõtteline signaal: siin on midagi valesti." Selle signaali leidsid ka teised teadlased. Pärast tumeaine jälgede otsimise negatiivsete tulemuste avaldamist LHC ja muude instrumentide abil on huvi selle olemust puudutavate alternatiivsete hüpoteeside vastu selgelt kasvamas. Ja mõned neist lahendustest näevad välja veelgi eksootilisemad kui Brasiilia karneval.

Mitu auku

Mis siis, kui WIMP-e pole olemas? Kui tumeaine on aine, mida me ei näe, kuid näeme selle gravitatsiooni mõju, siis võib-olla on need lihtsalt mustad augud? Teoreetiliselt võis neid Universumi evolutsiooni kõige varasemates etappides tekkida tohutul hulgal – mitte surnud hiidtähtedest, vaid hõõguvat ruumi täitnud ülitiheda ja kuuma aine kokkuvarisemise tulemusena. Üks probleem: seni pole leitud ühtegi ürgmust auku ja pole kindlalt teada, kas need üldse eksisteerisid. Universumis on aga piisavalt teisi musti auke, mis selle rolli jaoks sobivad.

Kaugema kosmosesondi Voyager 1 vaatlused ei näidanud Hawkingi kiirguse jälgi, mis võiks viidata mikroskoopilise suurusega ürgsete mustade aukude ilmumisele. See aga ei välista suuremate sarnaste objektide olemasolu. Alates 2015. aastast on LIGO interferomeeter registreerinud juba 11 gravitatsioonilainet ja 10 neist on põhjustatud kümnete Päikese masside masside mustade aukude paaride ühinemisest. See on iseenesest äärmiselt ootamatu, sest sellised objektid tekivad supernoova plahvatuste tagajärjel ning surnud täht kaotab selle käigus suurema osa oma massist. Selgub, et ühinenud aukude eelkäijad olid tõeliselt kükloopese suurusega tähed, mis poleks tohtinud Universumis ammu sündida. Teise probleemi tekitab nende poolt kahendsüsteemide moodustamine. Supernoova plahvatus on nii võimas sündmus, et iga lähedane objekt visatakse kaugele. Teisisõnu, LIGO on tuvastanud objektidelt gravitatsioonilaineid, mille välimus jääb saladuseks.

2018. aasta lõpus pöördusid selliste objektide poole Greenwichi teaduse ja tehnoloogia instituudi astrofüüsik Nikolai Gorkavy ja Nobeli preemia laureaat John Mather. Nende arvutused näitasid, et kümnete Päikese massidega mustad augud võivad hästi kokku liita galaktilise halo, mis jääks vaatlemiseks praktiliselt nähtamatuks ja tekitaks samal ajal kõik iseloomulikud kõrvalekalded galaktikate struktuuris ja liikumises. Näib, kust galaktika kaugest perifeeriast on pärit vajalik arv nii suuri musti auke? Lõppude lõpuks sünnib ja sureb suurem osa massiivseid tähti keskmele lähemal. Gorkavy ja Matheri vastus on peaaegu uskumatu: need mustad augud ei "tulnud", teatud mõttes on nad alati olemas olnud, universumi algusest peale. Need on eelmise tsükli jäänused maailma avardumise ja kokkutõmbumise lõputus jadas.

Pidev joon näitab galaktika keskpunkti ümber tiirlevate tähtede ja gaasi tegelikku orbiidi kiirust; täpiline - oodatav tumeaine mõju puudumisel.

Taassünni säilmed

Üldiselt ei ole Big Bounce kosmoloogias uus mudel, ehkki tõestamata, mis eksisteerib samaväärselt paljude teiste kosmose evolutsiooni hüpoteesidega. Võimalik, et universumi elus asenduvad paisumise perioodid tõepoolest kokkutõmbumisega, "Suure kokkuvarisemisega" – ja uue põrge-plahvatusega, järgmise põlvkonna maailma sünniga. Uues mudelis juhivad neid tsükleid aga mustad augud, mis toimivad nii tumeaine kui ka tumeenergiana – salapärase aine või jõuna, mis põhjustab meie universumi kiirenenud paisumise.

Eeldatakse, et ainet neelates ja üksteisega sulandudes võivad mustad augud akumuleerida üha rohkem Universumi kogumassist. See peaks viima selle laienemise aeglustumise ja seejärel kokkutõmbumiseni. Teisest küljest kaob mustade aukude ühinemisel gravitatsioonilainete energiaga märkimisväärne osa nende massist. Seetõttu on tulemuseks olev auk kergem kui selle endiste terminite summa (näiteks LIGO registreeritud esimene gravitatsioonilaine sündis siis, kui 36 ja 29 päikesemassiga mustad augud ühinevad auku, mille mass on "ainult "62 päikesemassi). Seega võib universum kaotada ka massi, tõmbudes kokku ja täitudes üha suuremate mustade aukudega, sealhulgas ühe suurima – keskse aukudega.

Lõpuks, pärast pikka mustade aukude ühinemise seeriat, kui märkimisväärne osa Universumi massist "lekib" gravitatsioonilainetena, hakkab see igas suunas laiali valguma. Väljastpoolt näeb see välja nagu plahvatus - suur pauk. Erinevalt klassikalisest Suure tagasilöögi pildist ei toimu sellise mudeli puhul eelmise maailma täielikku hävingut ning uus Universum pärib osad objektid otse vanemalt. Esiteks on need kõik samad mustad augud, mis on valmis taas täitma selles mõlemat peamist rolli - nii tumeainet kui ka tumeenergiat.

Suurepärane esiema

Niisiis, sellel ebatavalisel pildil osutub tumeaine suurteks mustadeks aukudeks, mis on päritud universumist universumile. Kuid me ei tohi unustada "keskset" musta auku, mis peaks tekkima igas sellises maailmas oma surma eelõhtul ja püsima ka järgmises. Astrofüüsikute arvutused on näidanud, et selle mass meie tänapäeva ruumis võib ulatuda uskumatult 6 x 1051 kg-ni, mis on 1/20 kogu barüoonse aine massist ja pidevalt suureneda. Selle kasv võib kaasa tuua aegruumi üha kiirema paisumise ja avalduda Universumi kiireneva paisumisena.

Muidugi peaks sellise tsüklopi massi olemasolu kaasa tooma märgatavate ebahomogeensuste ilmnemise universumi suuremahulises struktuuris. Sellise heterogeensuse kandidaat on juba olemas – astronoomiline kurjuse telg. Need on suhteliselt nõrgad, kuid väga murettekitavad märgid Universumi anisotroopiast - struktuurist, mis avaldub selles kõige suuremates mastaapides ega nõustu kuidagi klassikaliste vaadetega Suurest Paugust ja kõigest, mis juhtus pärast seda.

Selle käigus lahendab eksootiline hüpotees ka teise astronoomilise mõistatuse – ülimassiivsete mustade aukude ootamatult varajase ilmumise probleemi. Sellised objektid asuvad suurte galaktikate tsentrites ja neil õnnestus tundmatute vahenditega koguda mass miljonites ja isegi miljardites päikesemassides juba universumi eksisteerimise esimese 1-2 miljardi aasta jooksul. On ebaselge, kust nad võiksid põhimõtteliselt nii palju ainet leida ja veelgi enam, kui neil oleks aega seda omastada. Kuid "päritud" mustade aukudega idee raames eemaldatakse need küsimused, sest nende embrüod võisid meieni jõuda eelmisest universumist.

Kahju, et Gorkavy ekstravagantne hüpotees on ikkagi vaid hüpotees. Et sellest saaks täieõiguslik teooria, on vaja, et selle ennustused langeksid kokku vaatlusandmetega – ja sellistega, mida traditsiooniliste mudelitega ei saa seletada. Muidugi võimaldavad tulevased uuringud võrrelda fantastilisi arvutusi tegelikkusega, kuid seda ilmselt lähitulevikus ei juhtu. Seega, kuigi küsimused selle kohta, kus tumeaine on peidetud ja mis on tumeenergia, jäävad vastuseta.