Neviditelná „temná hmota“ve vesmíru nutí galaxie, aby se vyvíjely

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Čím déle zůstává záhada temné hmoty nevyřešena, tím exotičtější hypotézy o její povaze se objevují, včetně nejnovější myšlenky o dědictví obřích černých děr z předchozího vesmíru.

Abychom věděli, že něco existuje, není nutné to vidět. Kdysi tedy byly podle gravitačního vlivu na pohyb Uranu objeveny Neptun a Pluto a dnes probíhá pátrání po hypotetické Planetě X na vzdáleném okraji Sluneční soustavy. Ale co když takový vliv najdeme všude ve Vesmíru? Vezměte si například galaxie. Zdálo by se, že pokud se galaktický disk otáčí, pak by rychlost hvězd měla klesat s rostoucí oběžnou dráhou. To je například případ planet sluneční soustavy: Země se řítí kolem Slunce rychlostí 29,8 km / s a Pluto - 4,7 km / s. Již ve 30. letech 20. století však pozorování mlhoviny v Andromedě ukázala, že rychlost rotace jejích hvězd zůstává téměř konstantní, bez ohledu na to, jak daleko na periferii jsou. Tato situace je typická pro galaxie a mimo jiné vedla ke vzniku konceptu temné hmoty.

Karneval problémů

Předpokládá se, že to nevidíme přímo: tato tajemná látka prakticky neinteraguje s běžnými částicemi, včetně nevyzařuje ani neabsorbuje fotony, ale můžeme si toho všimnout gravitačním účinkem na jiná těla. Pozorování pohybů hvězd a oblaků plynu umožňuje sestavit podrobné mapy halo temné hmoty obklopující disk Mléčné dráhy, hovořící o důležité roli, kterou hraje ve vývoji galaxií, kup a celého velkého měřítka. struktura Vesmíru. Začínají však další potíže. Co je to za tajemnou temnou hmotu? Z čeho se skládá a jaké vlastnosti mají jeho částice?

Po mnoho let byly hlavními kandidáty na tuto roli WIMP – hypotetické částice, které se nejsou schopny účastnit žádných jiných interakcí než gravitačních. Snaží se je odhalit jak nepřímo, produkty vzácných interakcí s běžnou hmotou, tak přímo pomocí výkonných přístrojů, včetně velkého hadronového urychlovače. Bohužel v obou případech nejsou žádné výsledky.

„Scénář, ve kterém LHC najde pouze Higgsův boson a nic jiného, nebyl z nějakého důvodu nazýván ‚scénářem noční můry‘,“říká Sabine Hossenfelder, profesorka z Frankfurtské univerzity. "Skutečnost, že nebyly nalezeny žádné známky nové fyziky, mi slouží jako jednoznačný signál: tady je něco špatně." Tento signál zachytili i další vědci. Po zveřejnění negativních výsledků pátrání po stopách temné hmoty pomocí LHC a dalších přístrojů zřetelně roste zájem o alternativní hypotézy o její podstatě. A některá z těchto řešení vypadají ještě exotičtěji než brazilský karneval.

Nespočet děr

Co když WIMP neexistují? Pokud je temná hmota hmotou, kterou nevidíme, ale vidíme účinky její gravitace, pak jsou možná jen černé díry? Teoreticky se v nejranějších fázích vývoje Vesmíru mohly zformovat v obrovském množství – nikoli z mrtvých obřích hvězd, ale v důsledku kolapsu superhusté a horké hmoty, která vyplnila žhavý prostor. Jeden problém: dosud nebyla nalezena jediná prvotní černá díra a není jisté, zda vůbec kdy existovaly. Ve vesmíru je však dostatek jiných černých děr, které jsou pro tuto roli vhodné.

Pozorování vzdálené vesmírné sondy Voyager 1 neodhalila žádné stopy Hawkingova záření, které by mohly naznačovat výskyt primordiálních černých děr mikroskopické velikosti. To však nevylučuje existenci větších podobných objektů. Od roku 2015 interferometr LIGO zaregistroval již 11 gravitačních vln a 10 z nich bylo způsobeno sloučením párů černých děr o hmotnostech desítek hmotností Slunce. To je samo o sobě extrémně neočekávané, protože takové objekty vznikají v důsledku výbuchů supernov a zesnulá hvězda při tom ztrácí většinu své hmoty. Ukazuje se, že předchůdci sloučených děr byly hvězdy skutečně kyklopských velikostí, které se ve Vesmíru už dávno neměly zrodit. Dalším problémem je tvorba binárních systémů jimi. Výbuch supernovy je událost tak silná, že jakýkoli blízký předmět bude odmrštěn daleko. Jinými slovy, LIGO detekovalo gravitační vlny z objektů, jejichž vzhled zůstává záhadou.

Na konci roku 2018 se k takovým objektům přiblížil astrofyzik Greenwichského institutu vědy a techniky Nikolaj Gorkavy a nositel Nobelovy ceny John Mather. Jejich výpočty ukázaly, že černé díry o hmotnosti desítek hmotností Slunce by mohly sečíst galaktické halo, které by zůstalo pro pozorování prakticky neviditelné a zároveň by vytvořilo všechny charakteristické anomálie ve struktuře a pohybu galaxií. Zdálo by se, odkud na vzdáleném okraji galaxie pochází požadovaný počet tak velkých černých děr? Drtivá většina hmotných hvězd se totiž rodí a zaniká blíže středu. Odpověď Gorkavyho a Mathera je téměř neuvěřitelná: tyto černé díry „nepřišly“, v určitém smyslu existovaly vždy, od samého počátku vesmíru. To jsou pozůstatky předchozího cyklu v nekonečném sledu expanzí a kontrakcí světa.

Plná čára ukazuje skutečnou oběžnou rychlost hvězd a plynu obíhajících kolem středu galaxie; tečkovaný - očekává se při absenci vlivu temné hmoty.

Relikvie znovuzrození

Obecně platí, že Big Bounce není nový model v kosmologii, i když neprokázaný, existující na stejné úrovni jako mnoho dalších hypotéz o vývoji vesmíru. Je možné, že v životě vesmíru jsou období expanze skutečně nahrazena kontrakcí, „velkým kolapsem“– a novým odrazem-exploze, zrozením světa příští generace. V novém modelu jsou však tyto cykly vedeny černými dírami, které působí jako temná hmota i temná energie – záhadná látka nebo síla způsobující zrychlené rozpínání našeho vesmíru.

Předpokládá se, že pohlcováním hmoty a vzájemným slučováním mohou černé díry akumulovat stále více z celkové hmoty Vesmíru. To by mělo vést ke zpomalení jeho expanze a následně ke kontrakci. Na druhou stranu, když se černé díry spojí, značná část jejich hmoty se ztrácí energií gravitačních vln. Proto bude výsledná díra lehčí než součet jejích dřívějších členů (např. první gravitační vlna zaznamenaná LIGO se zrodila, když se černé díry o hmotnosti 36 a 29 slunečních hmotností spojily s vytvořením díry o hmotnosti „pouze 62 hmotností Slunce). Vesmír tedy také může ztrácet hmotu, smršťovat se a plnit stále většími černými dírami, včetně jedné z největších – centrální.

Nakonec se po dlouhé sérii slučování černých děr, kdy značná část hmoty Vesmíru „unikne“v podobě gravitačních vln, začne rozptylovat do všech stran. Zvenčí to bude vypadat jako výbuch – Velký třesk. Na rozdíl od klasického obrázku Big Rebound nedochází v takovém modelu k úplné destrukci předchozího světa a nový Vesmír přímo zdědí některé objekty od rodiče. Za prvé, jsou to všechno stejné černé díry, připravené v ní znovu hrát obě hlavní role – jak temnou hmotu, tak temnou energii.

Skvělá předka

Na tomto neobvyklém obrázku se tedy temná hmota ukazuje jako velké černé díry, které se dědí z vesmíru do vesmíru. Nesmíme ale zapomínat na „centrální“černou díru, která by se měla v každém takovém světě vytvořit v předvečer jeho smrti a přetrvat v tom dalším. Výpočty astrofyziků ukázaly, že jeho hmotnost v našem dnešním prostoru může dosáhnout neuvěřitelných 6 x 1051 kg, 1/20 hmotnosti veškeré baryonové hmoty, a neustále se zvětšovat. Jeho růst může vést ke stále rychlejší expanzi časoprostoru a projevit se jako zrychlující se rozpínání Vesmíru.

Přítomnost takové kyklopské hmoty by samozřejmě měla vést ke vzniku znatelných nehomogenit v rozsáhlé struktuře vesmíru. Kandidát na takovou heterogenitu již existuje – astronomická Osa zla. To jsou poměrně slabé, ale velmi alarmující známky anizotropie Vesmíru – struktury, která se v něm projevuje na největších měřítcích a nijak se neshoduje s klasickými názory na Velký třesk a vše, co se po něm stalo.

Cestou exotická hypotéza řeší i další astronomickou hádanku – problém nečekaně brzkého výskytu supermasivních černých děr. Takové objekty se nacházejí v centrech velkých galaxií a neznámým způsobem se jim podařilo získat hmotnost v milionech a dokonce miliardách slunečních hmotností již během prvních 1-2 miliard let existence vesmíru. Není jasné, kde by v zásadě mohli najít tolik látky, a ještě víc, kdy by měli čas ji absorbovat. Ale v rámci myšlenky se „zděděnými“černými dírami jsou tyto otázky odstraněny, protože jejich embrya se k nám mohla dostat z minulého Vesmíru.

Je škoda, že Gorkavyho extravagantní hypotéza je stále jen hypotézou. Aby se stala plnohodnotnou teorií, je nutné, aby se její předpovědi shodovaly s pozorovacími daty – a s takovými, které nelze vysvětlit tradičními modely. Budoucí výzkum samozřejmě umožní porovnat fantastické výpočty se skutečností, ale to se zjevně v blízké budoucnosti nestane. Proto, zatímco otázky o tom, kde se skrývá temná hmota a co je temná energie, zůstávají nezodpovězeny.