Onsigbare "donker materie" in die ruimte dwing sterrestelsels om te ontwikkel

2024 Outeur: Seth Attwood | [email protected]. Laas verander: 2023-12-16 15:56

Hoe langer die raaisel van donker materie onopgelos bly, hoe meer eksotiese hipoteses oor die aard daarvan verskyn, insluitend die nuutste idee van die oorerwing van reuse swart gate uit die vorige heelal.

Om te weet dat iets bestaan, is dit nie nodig om dit te sien nie. So eenkeer, volgens die gravitasie-invloed op die beweging van Uranus, is Neptunus en Pluto ontdek, en vandag is 'n soektog na 'n hipotetiese Planeet X aan die verste buitewyke van die sonnestelsel aan die gang. Maar wat as ons so 'n invloed oral in die Heelal vind? Neem sterrestelsels, byvoorbeeld. Dit wil voorkom asof as die galaktiese skyf roteer, die spoed van die sterre met toenemende wentelbaan moet afneem. Dit is byvoorbeeld die geval met die planete van die sonnestelsel: die Aarde jaag om die Son teen 29,8 km / s, en Pluto - teen 4,7 km / s. Reeds in die 1930's het waarnemings van die Andromeda-newel getoon dat die rotasiespoed van sy sterre byna konstant bly, ongeag hoe ver in die periferie hulle is. Hierdie situasie is tipies vir sterrestelsels, en onder meer het dit gelei tot die ontstaan van die konsep van donker materie.

Karnaval van probleme

Daar word geglo dat ons dit nie direk sien nie: hierdie geheimsinnige stof tree feitlik nie in wisselwerking met gewone deeltjies nie, insluitend dit straal of absorbeer nie fotone nie, maar ons kan dit opmerk deur die gravitasie-effek op ander liggame. Waarnemings van die bewegings van sterre en gaswolke maak dit moontlik om gedetailleerde kaarte saam te stel van die donker materie-halo rondom die skyf van die Melkweg, wat praat oor die belangrike rol wat dit speel in die evolusie van sterrestelsels, trosse en die hele grootskaalse struktuur van die heelal. Verdere probleme begin egter. Wat is hierdie geheimsinnige donker materie? Waaruit bestaan dit en watter eienskappe het sy deeltjies?

Vir baie jare was WIMP's die hoofkandidate vir hierdie rol - hipotetiese deeltjies wat nie aan enige ander interaksies as gravitasie kan deelneem nie. Hulle probeer hulle beide indirek opspoor, deur die produkte van seldsame interaksies met gewone materie, en direk deur kragtige instrumente te gebruik, insluitend die Large Hadron Collider. Helaas, in beide gevalle is daar geen resultate nie.

"Die scenario waarin die LHC net die Higgs-boson en niks anders vind nie, is om 'n rede 'n 'nagmerriescenario' genoem," sê Sabine Hossenfelder, 'n professor aan die Universiteit van Frankfurt. "Die feit dat geen tekens van nuwe fisika gevind is nie, dien my as 'n ondubbelsinnige sein: hier is iets fout." Ander wetenskaplikes het ook hierdie sein opgetel. Na die publikasie van negatiewe resultate van soektogte na spore van donker materie met behulp van die LHC en ander instrumente, is belangstelling in alternatiewe hipoteses oor die aard daarvan duidelik aan die toeneem. En sommige van hierdie oplossings lyk selfs meer eksoties as die Brasiliaanse karnaval.

Magdom gate

Wat as WIMP's nie bestaan nie? As donker materie materie is wat ons nie kan sien nie, maar ons sien die uitwerking van die swaartekrag daarvan, dan is dit dalk net swart gate? Teoreties kon hulle in die vroegste stadiums van die evolusie van die Heelal in groot getalle gevorm het – nie uit dooie reuse sterre nie, maar as gevolg van die ineenstorting van superdigte en warm materie wat die gloeiende ruimte gevul het. Een probleem: tot dusver is nog nie 'n enkele oer-swartgat gevind nie, en dit is nie vir seker bekend of hulle enigsins ooit bestaan het nie. Daar is egter genoeg ander swart gate in die Heelal wat geskik is vir hierdie rol.

Waarnemings van die verafgeleë ruimtesonde Voyager 1 het geen spore van Hawking-straling aan die lig gebring nie, wat die voorkoms van oer-swartgate van mikroskopiese grootte kan aandui. Dit sluit egter nie die bestaan van groter soortgelyke voorwerpe uit nie. Sedert 2015 het die LIGO-interferometer reeds 11 gravitasiegolwe geregistreer, en 10 van hulle is veroorsaak deur samesmeltings van pare swart gate met massas van tientalle sonmassas. Dit op sigself is uiters onverwags, want sulke voorwerpe word as gevolg van supernova-ontploffings gevorm, en die gestorwe ster verloor die meeste van sy massa in die proses. Dit blyk dat die voorlopers van die saamgevoegde gate sterre van werklik siklopiese groottes was, wat lanklaas in die Heelal gebore moes gewees het. Nog 'n probleem word geskep deur die vorming van binêre stelsels deur hulle. 'n Supernova-ontploffing is 'n gebeurtenis wat so kragtig is dat enige nabygeleë voorwerp ver weggegooi sal word. Met ander woorde, LIGO het gravitasiegolwe van voorwerpe opgespoor waarvan die voorkoms 'n raaisel bly.

Aan die einde van 2018 is sulke voorwerpe genader deur die astrofisikus van die Greenwich Instituut vir Wetenskap en Tegnologie Nikolai Gorkavy en die Nobelpryswenner John Mather. Hul berekeninge het getoon dat swart gate met massas van tientalle sonmassas 'n galaktiese stralekrans kan optel, wat feitlik onsigbaar sou bly vir waarneming en terselfdertyd al die kenmerkende afwykings in die struktuur en beweging van sterrestelsels sou skep. Dit wil voorkom, waar op die verre periferie van die sterrestelsel kom die vereiste aantal sulke groot swart gate vandaan? Die oorgrote meerderheid massiewe sterre word immers gebore en sterf nader aan die middel. Die antwoord wat Gorkavy en Mather gee is amper ongelooflik: hierdie swart gate het nie “gekom” nie, in 'n sekere sin het hulle nog altyd bestaan, van die heel begin van die Heelal af. Dit is die oorblyfsels van die vorige siklus in 'n eindelose reeks van uitbreidings en sametrekkings van die wêreld.

Die soliede lyn toon die werklike wentelsnelheid van sterre en gas wat om die middel van die sterrestelsel wentel; stippel - verwag in die afwesigheid van die invloed van donker materie.

Oorblyfsels van wedergeboorte

Oor die algemeen is die Big Bounce nie 'n nuwe model in kosmologie nie, alhoewel onbewese, wat op gelyke voet met baie ander hipoteses van die evolusie van die kosmos bestaan. Dit is moontlik dat in die lewe van die heelal, die tydperke van uitbreiding inderdaad vervang word deur sametrekking, die "Groot Ineenstorting" - en 'n nuwe weiering-ontploffing, die geboorte van die wêreld van die volgende generasie. In die nuwe model word hierdie siklusse egter deur swart gate gelei, wat optree as beide donker materie en donker energie - 'n geheimsinnige stof of krag wat die versnelde uitbreiding van ons Heelal veroorsaak.

Daar word aanvaar dat deur materie te absorbeer en met mekaar saam te smelt, swart gate meer en meer van die totale massa van die Heelal kan ophoop. Dit behoort tot 'n verlangsaming in sy uitbreiding en dan tot inkrimping te lei. Aan die ander kant, wanneer swart gate saamsmelt, gaan 'n beduidende deel van hul massa verlore met die energie van gravitasiegolwe. Daarom sal die resulterende gat ligter wees as die som van sy vorige terme (byvoorbeeld, die eerste gravitasiegolf wat deur LIGO aangeteken is, is gebore toe swart gate van 36 en 29 sonmassas saamsmelt met die vorming van 'n gat met 'n massa van "slegs " 62 sonmassas). So kan die Heelal ook massa verloor, saamtrek en vul met steeds groter swart gate, insluitend een van die grootstes - die sentrale een.

Uiteindelik, na 'n lang reeks samesmeltings van swart gate, wanneer 'n beduidende deel van die massa van die Heelal "lek" in die vorm van gravitasiegolwe, sal dit in alle rigtings begin strooi. Van buite sal dit soos’n ontploffing lyk – die Oerknal. Anders as die klassieke Big Rebound-prentjie vind die volledige vernietiging van die vorige wêreld nie in so 'n model plaas nie, en die nuwe Heelal erf sommige voorwerpe direk van die ouer. Eerstens is dit almal dieselfde swart gate, gereed om weer albei hoofrolle daarin te speel – beide donker materie en donker energie.

Groot voorma

Dus, in hierdie ongewone prentjie, blyk donker materie groot swart gate te wees, wat van die heelal na die heelal geërf word. Maar ons moet nie vergeet van die "sentrale" swart gat, wat op die vooraand van sy dood in elke sulke wêreld moet vorm en in die volgende moet voortduur nie. Berekeninge deur astrofisici het getoon dat die massa daarvan in ons vandag se ruimte 'n ongelooflike 6 x 1051 kg kan bereik, 1/20 van die massa van alle barioniese materie, en voortdurend kan toeneem. Die groei daarvan kan lei tot 'n steeds vinniger uitbreiding van ruimte-tyd en manifesteer as 'n versnellende uitbreiding van die Heelal.

Natuurlik moet die teenwoordigheid van so 'n siklopiese massa lei tot die verskyning van merkbare inhomogeniteite in die grootskaalse struktuur van die Heelal. Daar is reeds 'n kandidaat vir sulke heterogeniteit - die astronomiese Axis of Evil. Dit is relatief swak, maar baie kommerwekkende tekens van die anisotropie van die Heelal – die struktuur wat hom op die grootste skale daarin manifesteer en nie op enige manier ooreenkom met die klassieke sienings oor die Oerknal en alles wat daarna gebeur het nie.

Langs die pad los die eksotiese hipotese ook nog 'n astronomiese raaisel op - die probleem van die onverwags vroeë verskyning van supermassiewe swart gate. Sulke voorwerpe is in die middelpunte van groot sterrestelsels geleë en het op onbekende wyse daarin geslaag om massa in miljoene en selfs biljoene sonmassas reeds in die eerste 1-2 miljard jaar van die bestaan van die Heelal te kry. Dit is onduidelik waar hulle in beginsel soveel stof kan vind, en nog meer wanneer hulle tyd kan hê om dit te absorbeer. Maar binne die raamwerk van die idee met "oorgeërfde" swart gate, word hierdie vrae verwyder, want hul embrio's kon by ons uit die verlede Heelal gekom het.

Dit is jammer dat Gorkavy se uitspattige hipotese steeds net 'n hipotese is. Vir dit om 'n volwaardige teorie te word, is dit nodig dat die voorspellings daarvan saamval met waarnemingsdata - en met sulkes wat nie deur tradisionele modelle verklaar kan word nie. Natuurlik sal toekomstige navorsing dit moontlik maak om die fantastiese berekeninge met die werklikheid te vergelyk, maar dit sal natuurlik nie in die nabye toekoms gebeur nie. Daarom, terwyl die vrae oor waar donker materie versteek is en wat donker energie is, onbeantwoord bly.