Невидимата "тъмна материя" в космоса принуждава галактиките да се развиват

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Колкото по-дълго мистерията на тъмната материя остава неразгадана, толкова по-екзотични хипотези за нейната природа се появяват, включително най-новата идея за наследството на гигантски черни дупки от предишната Вселена.

За да разберете, че нещо съществува, не е необходимо да го виждате. Така някога, според гравитационното влияние върху движението на Уран, са били открити Нептун и Плутон, а днес е в ход търсене на хипотетична Планета X в далечните покрайнини на Слънчевата система. Но какво ще стане, ако открием такова влияние навсякъде във Вселената? Вземете галактиките, например. Изглежда, че ако галактическият диск се върти, тогава скоростта на звездите трябва да намалява с увеличаване на орбитата. Такъв например е случаят с планетите от Слънчевата система: Земята се втурва около Слънцето с 29,8 km/s, а Плутон - с 4,7 km/s. Въпреки това, още през 30-те години на миналия век наблюденията на мъглявината Андромеда показват, че скоростта на въртене на нейните звезди остава почти постоянна, независимо колко далеч в периферията са те. Тази ситуация е типична за галактиките и наред с други причини, тя доведе до появата на концепцията за тъмна материя.

Карнавал на проблемите

Смята се, че не го виждаме директно: това мистериозно вещество практически не взаимодейства с обикновените частици, включително не излъчва и не абсорбира фотони, но можем да го забележим чрез гравитационния ефект върху други тела. Наблюденията на движенията на звездите и газовите облаци дават възможност да се съставят подробни карти на ореола на тъмната материя около диска на Млечния път, като се говори за важната роля, която играе в еволюцията на галактиките, куповете и целия мащабен мащаб. структура на Вселената. Започват обаче по-нататъшни трудности. Каква е тази мистериозна тъмна материя? От какво се състои и какви свойства притежават частиците му?

В продължение на много години WIMPs са основните кандидати за тази роля – хипотетични частици, които не са в състояние да участват в каквито и да било взаимодействия освен гравитационни. Те се опитват да ги открият както косвено, чрез продуктите на редки взаимодействия с обикновената материя, така и директно, използвайки мощни инструменти, включително Големия адронен колайдер. Уви, и в двата случая няма резултати.

„Сценарият, при който LHC намира само бозона на Хигс и нищо друго, е наречен „кошмарен сценарий“с причина“, казва Сабине Хосенфелдер, професор във Франкфуртския университет. "Фактът, че не бяха открити признаци на нова физика, ми служи като недвусмислен сигнал: нещо не е наред тук." Други учени също уловиха този сигнал. След публикуването на отрицателни резултати от търсенето на следи от тъмна материя с помощта на LHC и други инструменти, интересът към алтернативни хипотези за нейната природа очевидно расте. И някои от тези решения изглеждат дори по-екзотични от бразилския карнавал.

Безброй дупки

Ами ако WIMPs не съществуват? Ако тъмната материя е материя, която не можем да видим, но виждаме ефектите от нейната гравитация, тогава може би те са просто черни дупки? Теоретично, на най-ранните етапи от еволюцията на Вселената те биха могли да се образуват в огромен брой - не от мъртви гигантски звезди, а в резултат на колапса на свръхплътна и гореща материя, изпълнила нажеженото пространство. Един проблем: досега не е открита нито една първична черна дупка и не е известно със сигурност дали изобщо е съществувала. Във Вселената обаче има достатъчно други черни дупки, които са подходящи за тази роля.

Наблюденията на далечната космическа сонда Вояджър 1 не разкриха никакви следи от радиация на Хокинг, което би могло да показва появата на първични черни дупки с микроскопичен размер. Това обаче не изключва съществуването на по-големи подобни обекти. От 2015 г. насам интерферометърът LIGO вече е регистрирал 11 гравитационни вълни, като 10 от тях са причинени от сливане на двойки черни дупки с маси от десетки слънчеви маси. Това само по себе си е изключително неочаквано, тъй като такива обекти се образуват в резултат на експлозии на свръхнова и покойната звезда губи по-голямата част от масата си в процеса. Оказва се, че предшествениците на обединените дупки са били звезди с наистина циклопски размери, които отдавна не е трябвало да се раждат във Вселената. Друг проблем създава формирането на двоични системи от тях. Експлозията на свръхнова е толкова мощно събитие, че всеки близък обект ще бъде изхвърлен далеч. С други думи, LIGO е открил гравитационни вълни от обекти, чийто външен вид остава загадка.

В края на 2018 г. към такива обекти се приближиха астрофизикът от Гринуичския институт за наука и технологии Николай Горкави и нобеловият лауреат Джон Матер. Техните изчисления показаха, че черните дупки с маси от десетки слънчеви маси могат да създадат галактически ореол, който ще остане практически невидим за наблюдение и в същото време ще създаде всички характерни аномалии в структурата и движението на галактиките. Изглежда, откъде в далечната периферия на галактиката идват необходимия брой такива големи черни дупки? В крайна сметка по-голямата част от масивните звезди се раждат и умират по-близо до центъра. Отговорът на Горкави и Матер е почти невероятен: тези черни дупки не са „дошли“, в известен смисъл те винаги са съществували, от самото начало на Вселената. Това са остатъци от предишния цикъл в безкрайна поредица от разширявания и свивания на света.

Плътната линия показва реалната орбитална скорост на звездите и газа, обикалящи около центъра на галактиката; пунктирана - очаква се при липса на влияние на тъмната материя.

Реликви от прераждането

Като цяло Големият отскок не е нов модел в космологията, макар и недоказан, съществуващ наравно с много други хипотези за еволюцията на космоса. Възможно е в живота на Вселената периодите на разширяване наистина да бъдат заменени от свиване, "Голям колапс" - и нов отскок-експлозия, раждането на света на следващото поколение. В новия модел обаче тези цикли се провеждат от черни дупки, действащи едновременно като тъмна материя и тъмна енергия – мистериозна субстанция или сила, предизвикваща ускореното разширяване на нашата Вселена.

Предполага се, че поглъщайки материята и сливайки се една с друга, черните дупки могат да натрупват все повече и повече от общата маса на Вселената. Това би трябвало да доведе до забавяне на неговото разширяване и след това до свиване. От друга страна, когато черните дупки се сливат, значителна част от тяхната маса се губи с енергията на гравитационните вълни. Следователно, получената дупка ще бъде по-лека от сбора на предишните й термини (например, първата гравитационна вълна, записана от LIGO, се роди, когато черните дупки с 36 и 29 слънчеви маси се сливат с образуването на дупка с маса "само "62 слънчеви маси). Така Вселената също може да губи маса, свивайки се и запълвайки с все по-големи черни дупки, включително една от най-големите – централната.

И накрая, след дълга поредица от сливания на черни дупки, когато значителна част от масата на Вселената "изтече" под формата на гравитационни вълни, тя ще започне да се разпръсква във всички посоки. Отвън ще изглежда като експлозия - Големият взрив. За разлика от класическата картина Big Rebound, пълното унищожаване на предишния свят не се случва в такъв модел, а новата Вселена директно наследява някои обекти от родителя. На първо място, това са едни и същи черни дупки, готови отново да играят и двете основни роли в тях - както тъмната материя, така и тъмната енергия.

Страхотна прамайка

И така, в тази необичайна картина тъмната материя се оказва големи черни дупки, които са наследени от Вселената на Вселената. Но не трябва да забравяме и за „централната” черна дупка, която трябва да се образува във всеки такъв свят в навечерието на смъртта му и да се запази в следващия. Изчисленията на астрофизиците показват, че масата му в днешното ни пространство може да достигне невероятните 6 x 1051 kg, 1/20 от масата на цялата барионна материя, и непрекъснато да се увеличава. Неговият растеж може да доведе до все по-бързо разширяване на пространство-времето и да се прояви като ускоряващо се разширяване на Вселената.

Разбира се, наличието на такава циклопска маса би трябвало да доведе до появата на забележими нехомогенности в мащабната структура на Вселената. Вече има кандидат за такава хетерогенност – астрономическата ос на злото. Това са относително слаби, но много тревожни признаци на анизотропията на Вселената - структурата, която се проявява в нея в най-големи мащаби и по никакъв начин не е в съответствие с класическите възгледи за Големия взрив и всичко, което се случи след него.

По пътя екзотичната хипотеза решава и друга астрономическа загадка – проблема за неочаквано ранната поява на свръхмасивни черни дупки. Такива обекти се намират в центровете на големи галактики и по неизвестни средства успяват да натрупат маса в милиони и дори милиарди слънчеви маси още през първите 1-2 милиарда години от съществуването на Вселената. Не е ясно къде по принцип биха могли да намерят толкова много вещество и още повече кога биха могли да имат време да го усвоят. Но в рамките на идеята с "наследени" черни дупки тези въпроси са премахнати, защото техните ембриони може да са стигнали до нас от миналото Вселена.

Жалко, че екстравагантната хипотеза на Горкави все още е само хипотеза. За да се превърне в пълноценна теория, е необходимо нейните прогнози да съвпадат с данни от наблюдения – и то с такива, които не могат да бъдат обяснени с традиционните модели. Разбира се, бъдещите изследвания ще позволят да се съпоставят фантастичните изчисления с реалността, но това очевидно няма да се случи в близко бъдеще. Следователно, докато въпросите за това къде е скрита тъмната материя и какво е тъмна енергия, остават без отговор.