Ғарыштағы көзге көрінбейтін «қараңғы материя» галактикаларды эволюцияға мәжбүр етеді

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2023-12-16 16:10

Қараңғы материяның құпиясы неғұрлым ұзақ шешілмесе, соғұрлым оның табиғаты туралы экзотикалық гипотезалар пайда болады, соның ішінде алдыңғы Ғаламнан алып қара тесіктердің мұрагерлік жаңа идеясы.

Бір нәрсенің бар екенін білу үшін оны көрудің қажеті жоқ. Сонымен, бір кездері Уран қозғалысына гравитациялық әсерге сәйкес Нептун мен Плутон ашылды, ал бүгінде күн жүйесінің қиыр шетінде гипотетикалық Х планетасын іздеу жүріп жатыр. Бірақ мұндай әсерді Әлемнің кез келген жерінен тапсақ ше? Мысалы, галактикаларды алайық. Егер галактикалық диск айналатын болса, онда жұлдыздардың жылдамдығы орбитаның ұлғаюымен азаюы керек сияқты. Бұл, мысалы, Күн жүйесінің планеталарына қатысты: Жер Күнді 29,8 км/с, ал Плутон - 4,7 км/с жылдамдықпен айналады. Алайда, 1930-шы жылдары Андромеда тұмандығын бақылаулар оның жұлдыздарының айналу жылдамдығы, олар периферияда қаншалықты алыс болса да, дерлік тұрақты болып қалатынын көрсетті. Бұл жағдай галактикаларға тән және басқа себептермен қатар қараңғы материя тұжырымдамасының пайда болуына әкелді.

Мәселелер карнавалы

Біз оны тікелей көрмейміз деп есептеледі: бұл жұмбақ зат іс жүзінде қарапайым бөлшектермен әрекеттеспейді, соның ішінде ол фотондарды шығармайды немесе сіңірмейді, бірақ біз оны басқа денелерге гравитациялық әсер ету арқылы байқай аламыз. Жұлдыздар мен газ бұлттарының қозғалысын бақылау Құс жолы дискісін қоршап тұрған қараңғы материяның ореолының егжей-тегжейлі карталарын жасауға мүмкіндік береді, оның галактикалардың, кластерлердің және бүкіл ауқымды эволюциядағы маңызды рөлі туралы айтады. Әлемнің құрылымы. Дегенмен, одан әрі қиындықтар басталады. Бұл жұмбақ қараңғы зат дегеніміз не? Ол неден тұрады және оның бөлшектері қандай қасиеттерге ие?

Көптеген жылдар бойы WIMP бұл рөлге негізгі үміткерлер болды - гравитациялық әсерден басқа кез келген әрекеттесулерге қатыса алмайтын гипотетикалық бөлшектер. Олар оларды жанама түрде, кәдімгі затпен сирек әрекеттесу өнімдері арқылы және тікелей қуатты құралдарды, соның ішінде Үлкен адрон коллайдерін қолдана отырып анықтауға тырысуда. Өкінішке орай, екі жағдайда да нәтиже жоқ.

Франкфурт университетінің профессоры Сабина Хоссенфельдер: «LHC тек Хиггс бозонын табатын және басқа ештеңе жоқ сценарий белгілі бір себептермен «қорқынышты сценарий» деп аталды», - дейді. «Жаңа физика белгілерінің табылмағаны маған біржақты сигнал ретінде қызмет етеді: мұнда бірдеңе дұрыс емес». Басқа ғалымдар да бұл сигналды қабылдады. LHC және басқа құралдарды пайдалана отырып, қараңғы материяның іздерін іздеудің теріс нәтижелері жарияланғаннан кейін оның табиғаты туралы балама гипотезаларға қызығушылық айқын өсуде. Және бұл шешімдердің кейбірі бразилиялық карнавалдан да экзотикалық көрінеді.

Сансыз тесіктер

WIMP жоқ болса ше? Егер қараңғы материя біз көре алмайтын материя болса, бірақ біз оның гравитациясының әсерін көреміз, онда олар жай ғана қара тесіктер болуы мүмкін бе? Теориялық тұрғыдан алғанда, Әлем эволюциясының ең ерте кезеңдерінде олар өлі алып жұлдыздардан емес, қыздыру кеңістігін толтырған аса тығыз және ыстық материяның ыдырауы нәтижесінде өте көп мөлшерде қалыптасуы мүмкін еді. Бір мәселе: осы уақытқа дейін бірде-бір алғашқы қара құрдым табылған жоқ және олардың бұрын-соңды болған-болмағаны да белгісіз. Дегенмен, Әлемде бұл рөлге сәйкес келетін басқа да қара тесіктер жеткілікті.

Voyager 1 алыс ғарыш зондының бақылаулары микроскопиялық өлшемдегі алғашқы қара тесіктердің пайда болуын көрсете алатын Хокинг сәулеленуінің іздерін анықтаған жоқ. Дегенмен, бұл үлкенірек ұқсас нысандардың болуын жоққа шығармайды.2015 жылдан бері LIGO интерферометрі қазірдің өзінде 11 гравитациялық толқынды тіркеді, олардың 10-ы массасы ондаған күн массасы бар қара құрдым жұптарының қосылуынан туындаған. Мұның өзі өте күтпеген жағдай, өйткені мұндай объектілер супернованың жарылыстары нәтижесінде пайда болады, ал өлген жұлдыз бұл процесте өзінің массасының көп бөлігін жоғалтады. Біріктірілген тесіктердің прекурсорлары шынымен циклоптық өлшемдегі жұлдыздар болғаны белгілі болды, олар Ғаламда ұзақ уақыт бойы тумауы керек еді. Олардың екілік жүйелерді құруы тағы бір мәселе туғызады. Супернованың жарылысы - кез келген жақын зат алысқа лақтырылатыны соншалықты күшті оқиға. Басқаша айтқанда, LIGO сыртқы түрі жұмбақ күйінде қалған нысандардан гравитациялық толқындарды анықтады.

2018 жылдың соңында мұндай нысандарға Гринвич ғылым және технология институтының астрофизигі Николай Горкави мен Нобель сыйлығының лауреаты Джон Мэтер жүгінді. Олардың есептеулері массасы ондаған күн массасы бар қара тесіктердің галактикалық ореолды қосуы мүмкін екенін көрсетті, ол бақылау үшін іс жүзінде көрінбейтін болып қалады және сонымен бірге галактикалардың құрылымы мен қозғалысына тән барлық ауытқуларды жасайды. Осындай үлкен қара тесіктердің қажетті саны галактиканың алыс шеткі түкпірінде қайдан шыққан сияқты? Өйткені, массивтік жұлдыздардың басым көпшілігі орталыққа жақын жерде туып, өледі. Горкавий мен Матердің берген жауабы нанғысыз дерлік: бұл қара тесіктер «келмеді», белгілі бір мағынада олар әрқашан Әлемнің басынан бастап болды. Бұл әлемнің кеңеюі мен тарылуының шексіз тізбегіндегі алдыңғы циклдің қалдықтары.

Тұтас сызық жұлдыздардың және галактиканың ортасын айналып өтетін газдың нақты орбиталық жылдамдығын көрсетеді; нүктелі - қараңғы материяның әсері болмаған жағдайда күтіледі.

Қайта туылу реликтері

Жалпы алғанда, Үлкен серпіліс космологиядағы жаңа үлгі емес, дәлелденбеген болса да, ғарыш эволюциясының көптеген басқа гипотезаларымен тең. Ғалам өмірінде кеңею кезеңдері шынымен де қысқарумен, «Үлкен күйреумен» және жаңа серпіліс-жарылыспен, кейінгі ұрпақ әлемінің тууымен ауыстырылуы мүмкін. Дегенмен, жаңа модельде бұл циклдар қараңғы материя мен қараңғы энергия ретінде әрекет ететін қара тесіктер арқылы жүзеге асырылады - жұмбақ зат немесе біздің Ғаламның жедел кеңеюін тудыратын күш.

Материяны жұтып, бір-бірімен біріктіру арқылы қара тесіктер Әлемнің жалпы массасының көбірек жиналуы мүмкін деп болжанады. Бұл оның кеңеюінің баяулауына, содан кейін қысқаруына әкелуі керек. Екінші жағынан, қара тесіктер біріктірілгенде, олардың массасының айтарлықтай бөлігі гравитациялық толқындардың энергиясымен жоғалады. Демек, алынған тесік оның бұрынғы мүшелерінің қосындысынан жеңілірек болады (мысалы, 36 және 29 күн массасының қара тесіктері тек «тек» массасы бар тесіктің пайда болуымен біріктірілген кезде LIGO тіркеген бірінші гравитациялық толқын туды. « 62 күн массасы). Сонымен, Ғалам массасын жоғалтып, жиырылуы және одан да үлкен қара тесіктермен толтырылуы мүмкін, соның ішінде ең үлкенінің бірі - орталық.

Ақырында, қара тесіктердің ұзақ біріктіру сериясынан кейін Ғалам массасының айтарлықтай бөлігі гравитациялық толқындар түрінде «ағып кеткенде» ол барлық бағытта шашыра бастайды. Сырттай қарағанда ол жарылыс - Үлкен жарылыс сияқты болады. Классикалық Big Rebound суретінен айырмашылығы, алдыңғы әлемнің толық жойылуы мұндай модельде болмайды, ал жаңа Әлем ата-анадан кейбір нысандарды тікелей мұра етеді. Біріншіден, мұның бәрі бірдей қара тесіктер, оларда екі негізгі рөлді - қараңғы материяны да, қараңғы энергияны да ойнауға дайын.

Ұлы ана

Сонымен, бұл ерекше суретте қараңғы материя Ғаламнан Ғаламға мұраланған үлкен қара тесіктерге айналады. Бірақ біз «орталық» қара құрдым туралы ұмытпауымыз керек, ол әрбір осындай әлемде өзінің өлімінің қарсаңында қалыптасып, келесіде сақталуы керек. Астрофизиктердің есептеулері оның біздің бүгінгі кеңістігіміздегі массасы керемет 6 х 1051 кг-ға, барлық бариондық заттардың массасының 1/20 бөлігіне жетуі мүмкін екенін және үздіксіз өсетінін көрсетті. Оның өсуі кеңістік-уақыттың бұрынғыдан да жылдам кеңеюіне әкелуі мүмкін және өзін Әлемнің жеделдетілген кеңеюі ретінде көрсете алады.

Әрине, мұндай циклоптық массаның болуы Ғаламның ауқымды құрылымында байқалатын біртекті еместіктердің пайда болуына әкелуі керек. Мұндай гетерогенділікке үміткер қазірдің өзінде бар - зұлымдық астрономиялық осі. Бұл салыстырмалы түрде әлсіз, бірақ Ғаламның анизотропиясының өте алаңдатарлық белгілері - онда ең үлкен масштабта көрінетін және Үлкен жарылыс пен одан кейін болған барлық нәрсе туралы классикалық көзқарастармен ешбір жағдайда келіспейтін құрылым.

Осы жолда экзотикалық гипотеза тағы бір астрономиялық жұмбақты шешеді - супермассивті қара тесіктердің күтпеген жерден ерте пайда болуы мәселесі. Мұндай нысандар үлкен галактикалардың орталықтарында орналасқан және белгісіз құралдар арқылы Әлемнің алғашқы 1-2 миллиард жылында миллиондаған, тіпті миллиардтаған күн массасының массасына ие болды. Негізінде, олар соншалықты көп затты қайдан таба алатыны және одан да көп нәрсені қашан сіңіретіні белгісіз. Бірақ «тұқым қуалайтын» қара тесіктері бар идея аясында бұл сұрақтар жойылады, өйткені олардың эмбриондары бізге өткен Ғаламнан жетуі мүмкін еді.

Горькавидің экстраваганттық гипотезасының әлі де тек гипотеза болып қалуы өкінішті. Оның толыққанды теория болуы үшін оның болжамдары бақылау деректерімен сәйкес келуі керек - және дәстүрлі үлгілермен түсіндірілмейтіндей. Әрине, болашақ зерттеулер фантастикалық есептеулерді шындықпен салыстыруға мүмкіндік береді, бірақ бұл жақын болашақта болмайтыны анық. Сондықтан қараңғы материя қайда жасырылған және қараңғы энергия қандай деген сұрақтар жауапсыз қалады.