Niewidzialna „ciemna materia” w kosmosie zmusza galaktyki do ewolucji

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Im dłużej tajemnica ciemnej materii pozostaje nierozwiązana, tym bardziej egzotyczne hipotezy dotyczące jej natury pojawiają się, w tym najnowszy pomysł dziedziczenia gigantycznych czarnych dziur z poprzedniego Wszechświata.

Aby wiedzieć, że coś istnieje, nie trzeba tego widzieć. Kiedyś, zgodnie z wpływem grawitacyjnym na ruch Urana, odkryto Neptuna i Plutona, a dziś trwają poszukiwania hipotetycznej Planety X na dalekich obrzeżach Układu Słonecznego. A co, jeśli taki wpływ znajdziemy wszędzie we Wszechświecie? Weźmy na przykład galaktyki. Wydawałoby się, że jeśli dysk galaktyczny się obraca, to prędkość gwiazd powinna spadać wraz ze wzrostem orbity. Tak jest na przykład w przypadku planet Układu Słonecznego: Ziemia krąży wokół Słońca z prędkością 29,8 km/s, a Pluton – z prędkością 4,7 km/s. Jednak już w latach 30. XX wieku obserwacje mgławicy Andromeda wykazały, że prędkość rotacji jej gwiazd pozostaje prawie stała, bez względu na to, jak daleko na obrzeżach się znajdują. Taka sytuacja jest typowa dla galaktyk i między innymi doprowadziła do pojawienia się koncepcji ciemnej materii.

Karnawał problemów

Uważa się, że nie widzimy tego bezpośrednio: ta tajemnicza substancja praktycznie nie wchodzi w interakcje ze zwykłymi cząsteczkami, w tym nie emituje ani nie pochłania fotonów, ale możemy to zauważyć po oddziaływaniu grawitacyjnym na inne ciała. Obserwacje ruchów gwiazd i obłoków gazu umożliwiają opracowanie szczegółowych map halo ciemnej materii otaczającej dysk Drogi Mlecznej, mówiących o ważnej roli, jaką odgrywa w ewolucji galaktyk, gromad i całej wielkoskalowej struktura Wszechświata. Jednak zaczynają się dalsze trudności. Czym jest ta tajemnicza ciemna materia? Z czego składa się i jakie właściwości mają jego cząsteczki?

Od wielu lat głównymi kandydatami do tej roli były WIMP - hipotetyczne cząstki, które nie są w stanie uczestniczyć w żadnych oddziaływaniach innych niż grawitacyjne. Próbują wykryć je zarówno pośrednio, poprzez produkty rzadkich interakcji ze zwykłą materią, jak i bezpośrednio, przy użyciu potężnych instrumentów, w tym Wielkiego Zderzacza Hadronów. Niestety w obu przypadkach nie ma wyników.

„Scenariusz, w którym LHC znajduje tylko bozon Higgsa i nic innego, nie bez powodu nazwano scenariuszem koszmaru” – mówi Sabine Hossenfelder, profesor na Uniwersytecie we Frankfurcie. „Fakt, że nie znaleziono żadnych oznak nowej fizyki, jest dla mnie jednoznacznym sygnałem: coś tu jest nie tak”. Inni naukowcy również odebrali ten sygnał. Po opublikowaniu negatywnych wyników poszukiwań śladów ciemnej materii za pomocą LHC i innych instrumentów wyraźnie rośnie zainteresowanie alternatywnymi hipotezami dotyczącymi jej natury. A niektóre z tych rozwiązań wyglądają jeszcze bardziej egzotycznie niż brazylijski karnawał.

Niezliczone dziury

A jeśli WIMP nie istnieją? Jeśli ciemna materia jest materią, której nie możemy zobaczyć, ale widzimy skutki jej grawitacji, to może są to tylko czarne dziury? Teoretycznie na najwcześniejszych etapach ewolucji Wszechświata mogły powstać w ogromnych ilościach - nie z martwych olbrzymów, ale w wyniku kolapsu supergęstej i gorącej materii, która wypełniała rozżarzoną przestrzeń. Jeden problem: jak dotąd nie znaleziono ani jednej pierwotnej czarnej dziury i nie wiadomo na pewno, czy w ogóle istniały. Jednak we Wszechświecie jest wystarczająco dużo innych czarnych dziur, które nadają się do tej roli.

Obserwacje odległej sondy kosmicznej Voyager 1 nie ujawniły żadnych śladów promieniowania Hawkinga, które mogłyby wskazywać na pojawienie się pierwotnych czarnych dziur o mikroskopijnych rozmiarach. Nie wyklucza to jednak istnienia większych podobnych obiektów. Od 2015 roku interferometr LIGO zarejestrował już 11 fal grawitacyjnych, a 10 z nich było spowodowanych łączeniem się par czarnych dziur o masach kilkudziesięciu mas Słońca. To samo w sobie jest niezwykle nieoczekiwane, ponieważ takie obiekty powstają w wyniku wybuchów supernowych, a zmarła gwiazda traci w tym procesie większość swojej masy. Okazuje się, że prekursorami scalonych dziur były gwiazdy o naprawdę cyklopowych rozmiarach, które dawno nie powinny rodzić się we Wszechświecie. Kolejny problem stwarza tworzenie przez nich systemów binarnych. Wybuch supernowej jest wydarzeniem tak potężnym, że każdy bliski obiekt zostanie odrzucony daleko. Innymi słowy, LIGO wykryło fale grawitacyjne z obiektów, których pojawienie się pozostaje tajemnicą.

Pod koniec 2018 roku do takich obiektów zwrócili się astrofizyk z Greenwich Institute of Science and Technology Nikołaj Gorkavy oraz noblista John Mather. Ich obliczenia wykazały, że czarne dziury o masach dziesiątek mas Słońca mogą z powodzeniem sumować się w galaktyczne halo, które pozostawałoby praktycznie niewidoczne dla obserwacji, a jednocześnie tworzyłoby wszystkie charakterystyczne anomalie w strukturze i ruchu galaktyk. Wydawałoby się, skąd na odległych obrzeżach galaktyki pochodzi wymagana liczba tak dużych czarnych dziur? W końcu zdecydowana większość masywnych gwiazd rodzi się i umiera bliżej środka. Odpowiedź, jakiej udzielają Gorkavy i Mather, jest niemal niewiarygodna: te czarne dziury nie „przyszły”, w pewnym sensie istniały zawsze, od samego początku Wszechświata. Są to pozostałości poprzedniego cyklu w nieskończonej sekwencji rozszerzania się i kurczenia świata.

Linia ciągła pokazuje rzeczywistą prędkość orbitalną gwiazd i gazu krążącego wokół centrum galaktyki; kropkowana - oczekiwana przy braku wpływu ciemnej materii.

Relikwie odrodzenia

Ogólnie rzecz biorąc, Big Bounce nie jest nowym modelem w kosmologii, choć niesprawdzonym, istniejącym na równi z wieloma innymi hipotezami ewolucji kosmosu. Możliwe, że w życiu wszechświata okresy ekspansji rzeczywiście zastępowane są przez kurczenie się, „Wielki Upadek” – i nową eksplozję-odskok, narodziny świata następnego pokolenia. Jednak w nowym modelu cykle te są prowadzone przez czarne dziury, działające zarówno jako ciemna materia, jak i ciemna energia – tajemnicza substancja lub siła powodująca przyspieszoną ekspansję naszego Wszechświata.

Zakłada się, że absorbując materię i łącząc się ze sobą, czarne dziury mogą akumulować coraz większą część całkowitej masy Wszechświata. Powinno to doprowadzić do spowolnienia jego ekspansji, a następnie skurczenia. Z drugiej strony, gdy czarne dziury łączą się, znaczna część ich masy jest tracona wraz z energią fal grawitacyjnych. W związku z tym powstała dziura będzie lżejsza niż suma jej poprzednich członów (na przykład pierwsza fala grawitacyjna zarejestrowana przez LIGO powstała, gdy czarne dziury o masie 36 i 29 mas Słońca połączą się, tworząc dziurę o masie „tylko 62 mas Słońca). Zatem Wszechświat może również tracić masę, kurcząc się i wypełniając coraz większymi czarnymi dziurami, w tym jedną z największych – centralną.

W końcu po długiej serii połączeń czarnych dziur, kiedy znaczna część masy Wszechświata „przecieka” w postaci fal grawitacyjnych, zacznie się rozpraszać we wszystkich kierunkach. Z zewnątrz będzie wyglądać jak eksplozja – Wielki Wybuch. W przeciwieństwie do klasycznego obrazu Wielkiego Odbicia, w takim modelu nie zachodzi całkowite zniszczenie poprzedniego świata, a nowy Wszechświat bezpośrednio dziedziczy niektóre obiekty po rodzicu. Przede wszystkim są to te same czarne dziury, gotowe ponownie odgrywać w nich obie główne role – zarówno ciemną materię, jak i ciemną energię.

Świetna pramatka

Tak więc na tym niezwykłym zdjęciu ciemna materia okazuje się dużymi czarnymi dziurami, które są dziedziczone z Wszechświata do Wszechświata. Nie wolno nam jednak zapominać o „centralnej” czarnej dziurze, która powinna powstawać w każdym takim świecie w przededniu swojej śmierci i utrzymywać się w następnym. Obliczenia astrofizyków wykazały, że jego masa w naszej dzisiejszej przestrzeni może osiągnąć niewiarygodne 6 x 1051 kg, czyli 1/20 masy całej materii barionowej, i stale rosnąć. Jego wzrost może prowadzić do coraz szybszej ekspansji czasoprzestrzeni i objawiać się przyśpieszającą ekspansją Wszechświata.

Oczywiście obecność takiej masy cyklopowej powinna prowadzić do pojawienia się zauważalnych niejednorodności w wielkoskalowej strukturze Wszechświata. Istnieje już kandydat na taką niejednorodność – astronomiczna Oś Zła. Są to stosunkowo słabe, ale bardzo niepokojące oznaki anizotropii Wszechświata – struktury, która objawia się w nim w największych skalach i w żaden sposób nie zgadza się z klasycznymi poglądami na Wielki Wybuch i wszystko, co wydarzyło się po nim.

Po drodze egzotyczna hipoteza rozwiązuje również inną astronomiczną zagadkę - problem niespodziewanie wczesnego pojawiania się supermasywnych czarnych dziur. Obiekty takie znajdują się w centrach dużych galaktyk i w nieznany sposób zdołały uzyskać masę w milionach, a nawet miliardach mas Słońca już w pierwszych 1-2 miliardach lat istnienia Wszechświata. Nie jest jasne, gdzie w zasadzie mogliby znaleźć tak dużo substancji, a tym bardziej, kiedy mieliby czas na jej wchłonięcie. Ale w ramach idei z „odziedziczonymi” czarnymi dziurami te pytania są usuwane, ponieważ ich embriony mogły dostać się do nas z poprzedniego Wszechświata.

Szkoda, że ekstrawagancka hipoteza Gorkavy'ego jest wciąż tylko hipotezą. Aby stała się pełnoprawną teorią, konieczne jest, aby jej przewidywania pokrywały się z danymi obserwacyjnymi - i takimi, których nie da się wytłumaczyć tradycyjnymi modelami. Oczywiście przyszłe badania umożliwią porównanie fantastycznych obliczeń z rzeczywistością, ale to oczywiście nie nastąpi w najbliższej przyszłości. Dlatego chociaż pytania o to, gdzie ukryta jest ciemna materia i czym jest ciemna energia, pozostają bez odpowiedzi.