Usynligt "mørkt stof" i rummet tvinger galakser til at udvikle sig

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

Jo længere mysteriet med mørkt stof forbliver uløst, jo mere eksotiske hypoteser om dets natur dukker op, inklusive den nyeste idé om arven af gigantiske sorte huller fra det tidligere univers.

For at vide, at noget eksisterer, er det ikke nødvendigt at se det. Så engang, ifølge tyngdekraftens indflydelse på Uranus' bevægelse, blev Neptun og Pluto opdaget, og i dag er en eftersøgning i gang efter en hypotetisk Planet X i den fjerne udkant af solsystemet. Men hvad nu hvis vi finder en sådan indflydelse overalt i universet? Tag for eksempel galakser. Det ser ud til, at hvis den galaktiske skive roterer, så skulle stjernernes hastighed falde med stigende kredsløb. Dette er for eksempel tilfældet med solsystemets planeter: Jorden suser rundt om Solen med 29,8 km/s, og Pluto - med 4,7 km/s. Allerede i 1930'erne viste observationer af Andromeda-tågen, at dens stjerners rotationshastighed forbliver næsten konstant, uanset hvor langt i periferien de befinder sig. Denne situation er typisk for galakser, og blandt andre årsager førte den til fremkomsten af begrebet mørkt stof.

Karneval af problemer

Det menes, at vi ikke ser det direkte: dette mystiske stof interagerer praktisk talt ikke med almindelige partikler, herunder udsender eller absorberer det ikke fotoner, men vi kan bemærke det ved gravitationseffekten på andre legemer. Observationer af stjerners og gasskyers bevægelser gør det muligt at kompilere detaljerede kort over den mørke stof-halo, der omgiver Mælkevejens skive, og taler om den vigtige rolle, den spiller i udviklingen af galakser, klynger og hele den store skala. universets struktur. Imidlertid begynder yderligere vanskeligheder. Hvad er dette mystiske mørke stof? Hvad består det af, og hvilke egenskaber har dets partikler?

I mange år har WIMP'er været hovedkandidaterne til denne rolle - hypotetiske partikler, der ikke er i stand til at deltage i andre interaktioner end gravitation. De forsøger at detektere dem både indirekte, ved produkter af sjældne interaktioner med almindeligt stof, og direkte ved hjælp af kraftfulde instrumenter, inklusive Large Hadron Collider. Ak, i begge tilfælde er der ingen resultater.

"Det scenarie, hvor LHC kun finder Higgs-bosonen og intet andet, er af en grund blevet kaldt et 'mareridtsscenarie'," siger Sabine Hossenfelder, professor ved universitetet i Frankfurt. "Det faktum, at der ikke blev fundet tegn på ny fysik, tjener mig som et utvetydigt signal: her er noget galt." Andre videnskabsmænd opfangede også dette signal. Efter offentliggørelsen af negative resultater af søgninger efter spor af mørkt stof ved hjælp af LHC og andre instrumenter, er interessen for alternative hypoteser om dens natur klart voksende. Og nogle af disse løsninger ser endnu mere eksotiske ud end det brasilianske karneval.

Utallige huller

Hvad hvis WIMP'er ikke eksisterer? Hvis mørkt stof er stof, som vi ikke kan se, men vi ser virkningerne af dets tyngdekraft, så er de måske bare sorte huller? Teoretisk set kunne de på de tidligste stadier af universets udvikling have dannet sig i stort antal - ikke fra døde kæmpestjerner, men som et resultat af sammenbruddet af supertæt og varmt stof, der fyldte gløderummet. Et problem: indtil videre er der ikke fundet et eneste sort hul, og det vides ikke med sikkerhed, om de overhovedet har eksisteret. Der er dog nok andre sorte huller i universet, der er egnede til denne rolle.

Observationer af den fjerne rumsonde Voyager 1 afslørede ingen spor af Hawking-stråling, hvilket kunne indikere forekomsten af oprindelige sorte huller af mikroskopisk størrelse. Dette udelukker dog ikke eksistensen af større lignende objekter. Siden 2015 har LIGO-interferometeret allerede registreret 11 gravitationsbølger, og 10 af dem var forårsaget af sammensmeltninger af par af sorte huller med masser af snesevis af solmasser. Dette er i sig selv ekstremt uventet, fordi sådanne objekter dannes som følge af supernovaeksplosioner, og den afdøde stjerne mister det meste af sin masse i processen. Det viser sig, at forløberne for de fusionerede huller var stjerner af virkelig cyklopiske størrelser, som ikke skulle have været født i universet i lang tid. Et andet problem er skabt af dannelsen af binære systemer af dem. En supernovaeksplosion er en hændelse så kraftig, at enhver nærliggende genstand vil blive smidt langt væk. Med andre ord har LIGO detekteret gravitationsbølger fra objekter, hvis udseende forbliver et mysterium.

I slutningen af 2018 blev sådanne objekter opsøgt af astrofysikeren fra Greenwich Institute of Science and Technology Nikolai Gorkavy og nobelpristageren John Mather. Deres beregninger viste, at sorte huller med masser af snesevis af solmasser godt kunne sammenlægge en galaktisk glorie, som ville forblive praktisk talt usynlig til observation og samtidig skabe alle de karakteristiske anomalier i galaksernes struktur og bevægelse. Det ser ud til, hvor i den fjerne periferi af galaksen kommer fra det nødvendige antal af så store sorte huller? Langt de fleste massive stjerner fødes og dør tættere på midten. Svaret Gorkavy og Mather giver er næsten utroligt: disse sorte huller "kom ikke", i en vis forstand har de altid eksisteret, lige fra universets begyndelse. Disse er resterne af den forrige cyklus i en endeløs sekvens af udvidelser og sammentrækninger af verden.

Den fuldt optrukne linje viser den reelle kredsløbshastighed for stjerner og gas, der kredser om galaksens centrum; prikket - forventet i fravær af påvirkning af mørkt stof.

Relikvier af genfødsel

Generelt er Big Bounce ikke en ny model inden for kosmologi, omend ubevist, der eksisterer på niveau med mange andre hypoteser om udviklingen af kosmos. Det er muligt, at i universets liv er ekspansionsperioderne faktisk erstattet af sammentrækning, "det store sammenbrud" - og en ny opspringseksplosion, fødslen af den næste generations verden. Men i den nye model ledes disse cyklusser af sorte huller, der fungerer som både mørkt stof og mørk energi - et mystisk stof eller kraft, der forårsager den accelererede udvidelse af vores univers.

Det antages, at sorte huller ved at absorbere stof og smelte sammen med hinanden kan akkumulere mere og mere af universets samlede masse. Dette skulle føre til en opbremsning i dens ekspansion og derefter til sammentrækning. På den anden side, når sorte huller smelter sammen, går en betydelig del af deres masse tabt med energien fra gravitationsbølger. Derfor vil det resulterende hul være lettere end summen af dets tidligere udtryk (for eksempel blev den første gravitationsbølge registreret af LIGO født, da sorte huller på 36 og 29 solmasser smelter sammen med dannelsen af et hul med en masse på "kun "62 solmasser). Så universet kan også miste masse, trække sig sammen og fyldes med stadig større sorte huller, inklusive et af de største - det centrale.

Endelig, efter en lang række fusioner af sorte huller, når en betydelig del af universets masse "lækker" i form af gravitationsbølger, vil den begynde at spredes i alle retninger. Udefra vil det ligne en eksplosion - Big Bang. I modsætning til det klassiske Big Rebound-billede sker den fuldstændige ødelæggelse af den tidligere verden ikke i en sådan model, og det nye univers arver direkte nogle objekter fra forælderen. Først og fremmest er det alle de samme sorte huller, klar til igen at spille begge hovedroller i det – både mørkt stof og mørk energi.

Fantastisk formor

Så i dette usædvanlige billede viser mørkt stof sig at være store sorte huller, som er nedarvet fra universet til universet. Men vi må ikke glemme det "centrale" sorte hul, som skulle dannes i hver sådan verden på tærsklen til dens død og fortsætte i den næste. Beregninger fra astrofysikere har vist, at dens masse i vores rum i dag kan nå op på utrolige 6 x 1051 kg, 1/20 af massen af alt baryonisk stof, og konstant stige. Dens vækst kan føre til en stadig hurtigere udvidelse af rum-tid og manifestere sig som en accelererende udvidelse af universet.

Selvfølgelig bør tilstedeværelsen af en sådan cyklopisk masse føre til udseendet af mærkbare inhomogeniteter i universets storskalastruktur. Der er allerede en kandidat til en sådan heterogenitet - den astronomiske ondskabsakse. Disse er relativt svage, men meget alarmerende tegn på universets anisotropi - den struktur, der manifesterer sig i den på de største skalaer og ikke på nogen måde stemmer overens med de klassiske synspunkter om Big Bang og alt, hvad der skete efter det.

Undervejs løser den eksotiske hypotese også en anden astronomisk gåde – problemet med den uventede tidlige fremkomst af supermassive sorte huller. Sådanne objekter er placeret i centrum af store galakser og ved ukendte midler lykkedes det at vinde masse i millioner og endda milliarder af solmasser allerede i de første 1-2 milliarder år af universets eksistens. Det er uklart, hvor de i princippet kunne finde så meget stof, og endnu mere hvornår de kunne nå at absorbere det. Men inden for rammerne af ideen med "nedarvede" sorte huller er disse spørgsmål fjernet, fordi deres embryoner kunne være kommet til os fra det tidligere univers.

Det er ærgerligt, at Gorkavys ekstravagante hypotese stadig kun er en hypotese. For at det kan blive en fuldgyldig teori, er det nødvendigt, at dens forudsigelser falder sammen med observationsdata – og med sådanne, der ikke kan forklares med traditionelle modeller. Selvfølgelig vil fremtidig forskning gøre det muligt at sammenligne de fantastiske beregninger med virkeligheden, men det sker åbenbart ikke i den nærmeste fremtid. Derfor, mens spørgsmålene om, hvor mørkt stof er gemt, og hvad mørk energi er, forbliver ubesvarede.