"Jriman gelap" yang tidak kelihatan di angkasa memaksa galaksi untuk berkembang

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-16 16:12

Semakin lama misteri jirim gelap tidak dapat diselesaikan, semakin banyak hipotesis eksotik tentang sifatnya muncul, termasuk idea terbaru tentang pewarisan lubang hitam gergasi dari Alam Semesta sebelumnya.

Untuk mengetahui bahawa sesuatu itu wujud, tidak perlu melihatnya. Jadi sekali, mengikut pengaruh graviti pada pergerakan Uranus, Neptun dan Pluto ditemui, dan hari ini pencarian sedang dijalankan untuk Planet X hipotesis di pinggir jauh sistem suria. Tetapi bagaimana jika kita mendapati pengaruh sedemikian di mana-mana di Alam Semesta? Ambil galaksi, sebagai contoh. Nampaknya jika cakera galaksi berputar, maka kelajuan bintang akan berkurangan dengan peningkatan orbit. Ini, sebagai contoh, adalah kes dengan planet-planet sistem suria: Bumi bergegas mengelilingi Matahari pada 29.8 km / s, dan Pluto - pada 4.7 km / s. Walau bagaimanapun, sudah pada tahun 1930-an, pemerhatian nebula Andromeda menunjukkan bahawa kelajuan putaran bintangnya kekal hampir malar, tidak kira sejauh mana ia berada di pinggir. Keadaan ini adalah tipikal untuk galaksi, dan antara sebab lain, ia membawa kepada kemunculan konsep jirim gelap.

Karnival masalah

Adalah dipercayai bahawa kita tidak melihatnya secara langsung: bahan misteri ini boleh dikatakan tidak berinteraksi dengan zarah biasa, termasuk ia tidak memancarkan atau menyerap foton, tetapi kita boleh melihatnya melalui kesan graviti pada badan lain. Pemerhatian terhadap pergerakan bintang dan awan gas memungkinkan untuk menyusun peta terperinci tentang halo jirim gelap yang mengelilingi cakera Bima Sakti, bercakap tentang peranan penting yang dimainkannya dalam evolusi galaksi, gugusan dan keseluruhan skala besar. struktur Alam Semesta. Walau bagaimanapun, kesukaran selanjutnya bermula. Apakah perkara gelap yang misteri ini? Apakah kandungannya dan apakah sifat zarahnya?

Selama bertahun-tahun, WIMP telah menjadi calon utama untuk peranan ini - zarah hipotesis yang tidak dapat mengambil bahagian dalam sebarang interaksi selain graviti. Mereka cuba mengesan kedua-duanya secara tidak langsung, melalui hasil interaksi jarang dengan bahan biasa, dan secara langsung, menggunakan instrumen berkuasa, termasuk Large Hadron Collider. Malangnya, dalam kedua-dua kes, tiada hasil.

"Senario di mana LHC hanya menemui boson Higgs dan tiada apa-apa lagi yang dipanggil 'senario mimpi ngeri' atas sebab tertentu," kata Sabine Hossenfelder, seorang profesor di Universiti Frankfurt. "Hakikat bahawa tiada tanda-tanda fizik baharu ditemui memberi saya isyarat yang tidak jelas: ada sesuatu yang tidak kena di sini." Para saintis lain juga mengambil isyarat ini. Selepas penerbitan hasil negatif carian untuk kesan bahan gelap menggunakan LHC dan instrumen lain, minat terhadap hipotesis alternatif tentang sifatnya jelas semakin meningkat. Dan beberapa penyelesaian ini kelihatan lebih eksotik daripada karnival Brazil.

Banyak lubang

Bagaimana jika WIMP tidak wujud? Jika jirim gelap adalah jirim yang tidak dapat kita lihat, tetapi kita melihat kesan gravitinya, maka mungkin ia hanyalah lubang hitam? Secara teorinya, pada peringkat terawal evolusi Alam Semesta, mereka boleh terbentuk dalam jumlah yang besar - bukan daripada bintang gergasi mati, tetapi akibat daripada keruntuhan bahan superdens dan panas yang memenuhi ruang pijar. Satu masalah: setakat ini tiada satu pun lubang hitam primordial ditemui, dan tidak diketahui secara pasti sama ada ia pernah wujud sama sekali. Walau bagaimanapun, terdapat cukup lubang hitam lain di Alam Semesta yang sesuai untuk peranan ini.

Pemerhatian probe angkasa lepas Voyager 1 tidak mendedahkan sebarang kesan sinaran Hawking, yang boleh menunjukkan kemunculan lubang hitam primordial saiz mikroskopik. Walau bagaimanapun, ini tidak mengecualikan kewujudan objek serupa yang lebih besar. Sejak 2015, interferometer LIGO telah mencatatkan 11 gelombang graviti, dan 10 daripadanya disebabkan oleh penggabungan pasangan lubang hitam dengan jisim berpuluh-puluh jisim suria. Ini dengan sendirinya adalah sangat tidak dijangka, kerana objek sedemikian terbentuk akibat letupan supernova, dan bintang yang mati kehilangan sebahagian besar jisimnya dalam proses itu. Ternyata prekursor lubang yang digabungkan adalah bintang-bintang yang benar-benar saiz siklopean, yang tidak sepatutnya dilahirkan di Alam Semesta untuk masa yang lama. Masalah lain dicipta oleh pembentukan sistem binari oleh mereka. Letupan supernova ialah kejadian yang sangat kuat sehinggakan mana-mana objek yang dekat akan dibuang jauh. Dalam erti kata lain, LIGO telah mengesan gelombang graviti daripada objek, yang rupanya masih menjadi misteri.

Pada penghujung tahun 2018, objek sedemikian telah didekati oleh ahli astrofizik Institut Sains dan Teknologi Greenwich Nikolai Gorkavy dan pemenang Nobel John Mather. Pengiraan mereka menunjukkan bahawa lubang hitam dengan jisim berpuluh-puluh jisim suria boleh menambah halo galaksi, yang akan kekal tidak kelihatan untuk pemerhatian dan, pada masa yang sama, mencipta semua anomali ciri dalam struktur dan pergerakan galaksi. Nampaknya, dari mana di pinggir galaksi yang jauh datang dari bilangan lubang hitam besar yang diperlukan? Lagipun, sebahagian besar bintang besar dilahirkan dan mati lebih dekat ke pusat. Jawapan yang diberikan oleh Gorkavy dan Mather hampir sukar dipercayai: lubang hitam ini tidak "datang", dalam erti kata tertentu ia sentiasa wujud, sejak awal Alam Semesta. Ini adalah sisa-sisa kitaran sebelumnya dalam urutan pengembangan dan pengecutan dunia yang tidak berkesudahan.

Garis pepejal menunjukkan halaju orbit sebenar bintang dan gas yang mengorbit pusat galaksi; bertitik - dijangka jika tiada pengaruh bahan gelap.

Peninggalan kelahiran semula

Secara umum, Lantunan Besar bukanlah model baharu dalam kosmologi, walaupun tidak terbukti, wujud setanding dengan banyak hipotesis lain tentang evolusi kosmos. Ada kemungkinan bahawa dalam kehidupan alam semesta, tempoh pengembangan memang digantikan oleh penguncupan, "Keruntuhan Besar" - dan letupan lantunan baru, kelahiran dunia generasi akan datang. Walau bagaimanapun, dalam model baharu, kitaran ini dijalankan oleh lubang hitam, bertindak sebagai jirim gelap dan tenaga gelap - bahan atau daya misteri yang menyebabkan pengembangan dipercepatkan Alam Semesta kita.

Diandaikan bahawa dengan menyerap bahan dan bergabung antara satu sama lain, lubang hitam boleh mengumpul lebih banyak daripada jumlah jisim Alam Semesta. Ini sepatutnya membawa kepada kelembapan dalam pengembangannya dan kemudian kepada penguncupan. Sebaliknya, apabila lubang hitam bergabung, sebahagian besar jisimnya hilang dengan tenaga gelombang graviti. Oleh itu, lubang yang terhasil akan lebih ringan daripada jumlah sebutan sebelumnya (contohnya, gelombang graviti pertama yang direkodkan oleh LIGO dilahirkan apabila lubang hitam 36 dan 29 jisim suria bergabung dengan pembentukan lubang dengan jisim "sahaja "62 jisim suria). Jadi Alam Semesta juga boleh kehilangan jisim, mengecut dan mengisi dengan lubang hitam yang lebih besar, termasuk salah satu yang terbesar - yang tengah.

Akhirnya, selepas siri panjang penggabungan lubang hitam, apabila sebahagian besar jisim Alam Semesta "bocor" dalam bentuk gelombang graviti, ia akan mula berselerak ke semua arah. Dari luar ia akan kelihatan seperti letupan - Big Bang. Tidak seperti gambar Big Rebound klasik, pemusnahan lengkap dunia sebelumnya tidak berlaku dalam model sedemikian, dan Universe baharu secara langsung mewarisi beberapa objek daripada induknya. Pertama sekali, ini semua adalah lubang hitam yang sama, bersedia untuk memainkan kedua-dua peranan utama di dalamnya - kedua-dua jirim gelap dan tenaga gelap.

ibu bapa yang hebat

Jadi, dalam gambar yang luar biasa ini, jirim gelap ternyata menjadi lubang hitam yang besar, yang diwarisi dari Alam Semesta kepada Alam Semesta. Tetapi kita tidak boleh melupakan lubang hitam "pusat", yang sepatutnya terbentuk di setiap dunia sedemikian pada malam sebelum kematiannya dan berterusan di dunia seterusnya. Pengiraan oleh ahli astrofizik telah menunjukkan bahawa jisimnya di angkasa kita hari ini boleh mencapai 6 x 1051 kg yang luar biasa, 1/20 daripada jisim semua jirim baryonic, dan terus meningkat. Pertumbuhannya boleh membawa kepada pengembangan ruang-masa yang semakin pesat dan menampakkan dirinya sebagai pengembangan Alam Semesta yang semakin pantas.

Sudah tentu, kehadiran jisim siklopean seperti itu harus membawa kepada kemunculan ketidakhomogenan yang ketara dalam struktur berskala besar Alam Semesta. Sudah ada calon untuk heterogeniti sedemikian - Paksi Kejahatan astronomi. Ini adalah tanda-tanda anisotropi Alam Semesta yang agak lemah, tetapi sangat membimbangkan - struktur yang menampakkan dirinya di dalamnya pada skala terbesar dan tidak sama sekali bersetuju dengan pandangan klasik tentang Big Bang dan segala yang berlaku selepasnya.

Sepanjang perjalanan, hipotesis eksotik juga menyelesaikan satu lagi teka-teki astronomi - masalah kemunculan awal lubang hitam supermasif yang tidak dijangka. Objek sedemikian terletak di pusat-pusat galaksi besar dan, dengan cara yang tidak diketahui, berjaya memperoleh jisim dalam berjuta-juta malah berbilion-bilion jisim suria sudah dalam 1-2 bilion tahun pertama kewujudan Alam Semesta. Tidak jelas di mana mereka boleh, pada dasarnya, menemui begitu banyak bahan, dan lebih-lebih lagi apabila mereka boleh mempunyai masa untuk menyerapnya. Tetapi dalam kerangka idea dengan lubang hitam "warisan", soalan-soalan ini dikeluarkan, kerana embrio mereka boleh sampai kepada kita dari Alam Semesta yang lalu.

Sayang sekali hipotesis Gorkavy yang boros itu masih hanya hipotesis. Untuk menjadi teori yang lengkap, ramalannya perlu bertepatan dengan data pemerhatian - dan dengan itu yang tidak dapat dijelaskan oleh model tradisional. Sudah tentu, penyelidikan masa depan akan memungkinkan untuk membandingkan pengiraan yang hebat dengan realiti, tetapi ini jelas tidak akan berlaku dalam masa terdekat. Oleh itu, sementara soalan tentang di mana jirim gelap tersembunyi dan apakah tenaga gelap, masih tidak terjawab.