კოსმოსში უხილავი „ბნელი მატერია“გალაქტიკებს აიძულებს ევოლუციას

2024 ავტორი: Seth Attwood | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2023-12-16 16:09

რაც უფრო დიდხანს რჩება ბნელი მატერიის საიდუმლო, მით უფრო მეტი ეგზოტიკური ჰიპოთეზები ჩნდება მისი ბუნების შესახებ, მათ შორის უახლესი იდეა გიგანტური შავი ხვრელების მემკვიდრეობის შესახებ წინა სამყაროდან.

იმისათვის, რომ გავიგოთ, რომ რაღაც არსებობს, არ არის აუცილებელი მისი დანახვა. ასე რომ, ერთხელ, ურანის მოძრაობაზე გრავიტაციული გავლენის მიხედვით, აღმოაჩინეს ნეპტუნი და პლუტონი, დღეს კი მიმდინარეობს ძიება ჰიპოთეტური პლანეტა X-ისთვის მზის სისტემის შორეულ გარეუბანში. მაგრამ რა მოხდება, თუ ჩვენ ვპოულობთ ასეთ გავლენას ყველგან სამყაროში? ავიღოთ გალაქტიკები, მაგალითად. როგორც ჩანს, თუ გალაქტიკური დისკი ბრუნავს, მაშინ ვარსკვლავების სიჩქარე ორბიტის გაზრდით უნდა შემცირდეს. ასეა, მაგალითად, მზის სისტემის პლანეტების შემთხვევაში: დედამიწა მზის ირგვლივ მოძრაობს 29,8 კმ/წმ სიჩქარით, ხოლო პლუტონი - 4,7 კმ/წმ. თუმცა, უკვე 1930-იან წლებში ანდრომედას ნისლეულზე დაკვირვებამ აჩვენა, რომ მისი ვარსკვლავების ბრუნვის სიჩქარე თითქმის მუდმივი რჩება, მიუხედავად იმისა, თუ რამდენად შორს არიან ისინი პერიფერიაზე. ეს ვითარება დამახასიათებელია გალაქტიკებისთვის და სხვა მიზეზებთან ერთად, ბნელი მატერიის კონცეფციის გაჩენა გამოიწვია.

პრობლემების კარნავალი

ითვლება, რომ ჩვენ მას პირდაპირ ვერ ვხედავთ: ეს იდუმალი ნივთიერება პრაქტიკულად არ ურთიერთქმედებს ჩვეულებრივ ნაწილაკებთან, მათ შორის ის არ ასხივებს და არ შთანთქავს ფოტონებს, მაგრამ ჩვენ შეგვიძლია შევამჩნიოთ იგი სხვა სხეულებზე გრავიტაციული ეფექტით. ვარსკვლავებისა და გაზის ღრუბლების მოძრაობაზე დაკვირვება შესაძლებელს ხდის ირმის ნახტომის დისკის მიმდებარე ბნელი მატერიის ჰალოს დეტალური რუქების შედგენას, სადაც საუბარია მის მნიშვნელოვან როლზე გალაქტიკების, გროვებისა და მთელი მასშტაბის ევოლუციაში. სამყაროს სტრუქტურა. თუმცა, შემდგომი სირთულეები იწყება. რა არის ეს იდუმალი ბნელი მატერია? რისგან შედგება და რა თვისებები აქვთ მის ნაწილაკებს?

მრავალი წლის განმავლობაში, WIMP-ები იყვნენ ამ როლის მთავარი კანდიდატები - ჰიპოთეტური ნაწილაკები, რომლებსაც არ შეუძლიათ მონაწილეობა მიიღონ სხვა ურთიერთქმედებებში, გარდა გრავიტაციისა. ისინი ცდილობენ აღმოაჩინონ ისინი როგორც ირიბად, ჩვეულებრივ მატერიასთან იშვიათი ურთიერთქმედების პროდუქტებით და პირდაპირ, ძლიერი ინსტრუმენტების, მათ შორის დიდი ადრონული კოლაიდერის გამოყენებით. სამწუხაროდ, ორივე შემთხვევაში შედეგი არ არის.

„სცენარს, რომელშიც LHC პოულობს მხოლოდ ჰიგსის ბოზონს და სხვას არაფერს, უწოდეს „კოშმარული სცენარი““- ამბობს საბინე ჰოსენფელდერი, ფრანკფურტის უნივერსიტეტის პროფესორი. „ის, რომ ახალი ფიზიკის ნიშნები არ იქნა ნაპოვნი, ჩემთვის ცალსახა სიგნალია: აქ რაღაც არასწორია“. სხვა მეცნიერებმაც აიღეს ეს სიგნალი. ბნელი მატერიის კვალის ძიების უარყოფითი შედეგების გამოქვეყნების შემდეგ LHC და სხვა ინსტრუმენტების გამოყენებით, აშკარად იზრდება ინტერესი მისი ბუნების შესახებ ალტერნატიული ჰიპოთეზების მიმართ. და ზოგიერთი ამ გადაწყვეტილებიდან კიდევ უფრო ეგზოტიურად გამოიყურება, ვიდრე ბრაზილიური კარნავალი.

უამრავი ხვრელი

რა მოხდება, თუ WIMP არ არსებობს? თუ ბნელი მატერია არის მატერია, რომელსაც ჩვენ ვერ ვხედავთ, მაგრამ ვხედავთ მისი გრავიტაციის ეფექტებს, მაშინ იქნებ ისინი მხოლოდ შავი ხვრელები არიან? თეორიულად, სამყაროს ევოლუციის ადრეულ ეტაპზე, ისინი შეიძლებოდა ჩამოყალიბებულიყვნენ უზარმაზარი რაოდენობით - არა მკვდარი გიგანტური ვარსკვლავებისგან, არამედ სუპერმკვრივი და ცხელი მატერიის დაშლის შედეგად, რომელიც ავსებდა ინკანდესენტურ სივრცეს. ერთი პრობლემა: ჯერჯერობით არც ერთი პირველყოფილი შავი ხვრელი არ არის ნაპოვნი და დანამდვილებით არ არის ცნობილი, არსებობდნენ თუ არა ისინი ოდესმე. თუმცა, სამყაროში არის საკმარისი სხვა შავი ხვრელები, რომლებიც შესაფერისია ამ როლისთვის.

შორეულ კოსმოსურ ზონდზე Voyager 1-ზე დაკვირვებამ არ გამოავლინა ჰოკინგის გამოსხივების კვალი, რაც შეიძლება მიუთითებდეს მიკროსკოპული ზომის პირველყოფილი შავი ხვრელების გამოჩენაზე. თუმცა ეს არ გამორიცხავს უფრო დიდი მსგავსი ობიექტების არსებობას.2015 წლიდან LIGO ინტერფერომეტრმა უკვე დაარეგისტრირა 11 გრავიტაციული ტალღა და მათგან 10 გამოწვეული იყო შავი ხვრელების წყვილის შერწყმით მზის მასის ათეულობით. ეს თავისთავად უკიდურესად მოულოდნელია, რადგან ასეთი ობიექტები წარმოიქმნება სუპერნოვას აფეთქებების შედეგად და გარდაცვლილი ვარსკვლავი ამ პროცესში კარგავს მასის დიდ ნაწილს. გამოდის, რომ შერწყმული ხვრელების წინამორბედები მართლაც ციკლოპური ზომის ვარსკვლავები იყვნენ, რომლებიც დიდი ხნის განმავლობაში არ უნდა დაბადებულიყვნენ სამყაროში. სხვა პრობლემას ქმნის მათ მიერ ორობითი სისტემების ფორმირება. სუპერნოვას აფეთქება ისეთი ძლიერი მოვლენაა, რომ ნებისმიერი ახლო ობიექტი შორს გადააგდებს. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, LIGO-მ აღმოაჩინა გრავიტაციული ტალღები ობიექტებიდან, რომელთა გარეგნობა საიდუმლოდ რჩება.

2018 წლის ბოლოს ასეთ ობიექტებს მიუახლოვდნენ გრინვიჩის მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების ინსტიტუტის ასტროფიზიკოსი ნიკოლაი გორკავი და ნობელის პრემიის ლაურეატი ჯონ მატერი. მათმა გამოთვლებმა აჩვენა, რომ ათობით მზის მასის მქონე შავ ხვრელებს შეუძლიათ გალაქტიკური ჰალო შეაგროვონ, რომელიც პრაქტიკულად უხილავი დარჩება დაკვირვებისთვის და, ამავე დროს, ქმნის ყველა დამახასიათებელ ანომალიას გალაქტიკების სტრუქტურასა და მოძრაობაში. როგორც ჩანს, საიდან მოდის გალაქტიკის შორეულ პერიფერიაზე ასეთი დიდი შავი ხვრელების საჭირო რაოდენობა? ყოველივე ამის შემდეგ, მასიური ვარსკვლავების დიდი უმრავლესობა იბადება და კვდება ცენტრთან უფრო ახლოს. გორკავისა და მატერის პასუხი თითქმის დაუჯერებელია: ეს შავი ხვრელები არ "მოსულან", გარკვეული გაგებით ისინი ყოველთვის არსებობდნენ, სამყაროს დასაწყისიდანვე. ეს არის წინა ციკლის ნარჩენები სამყაროს გაფართოებისა და შეკუმშვის გაუთავებელი თანმიმდევრობით.

მყარი ხაზი გვიჩვენებს გალაქტიკის ცენტრის გარშემო მოძრავი ვარსკვლავებისა და გაზის რეალურ ორბიტალურ სიჩქარეს; წერტილოვანი - მოსალოდნელია ბნელი მატერიის გავლენის არარსებობის შემთხვევაში.

აღორძინების რელიქვიები

ზოგადად, Big Bounce არ არის ახალი მოდელი კოსმოლოგიაში, თუმცა დაუმტკიცებელი, რომელიც კოსმოსის ევოლუციის მრავალი სხვა ჰიპოთეზის თანაბარია. შესაძლებელია, რომ სამყაროს ცხოვრებაში გაფართოების პერიოდები მართლაც შეიცვალოს შეკუმშვით, „დიდი კოლაფსით“- და ახალი აფეთქებით, მომავალი თაობის სამყაროს დაბადებით. თუმცა, ახალ მოდელში, ამ ციკლებს ატარებენ შავი ხვრელები, რომლებიც მოქმედებენ როგორც ბნელი მატერია, ასევე ბნელი ენერგია - იდუმალი ნივთიერება ან ძალა, რომელიც იწვევს ჩვენი სამყაროს აჩქარებულ გაფართოებას.

ვარაუდობენ, რომ მატერიის შთანთქმით და ერთმანეთთან შერწყმით, შავ ხვრელებს შეუძლიათ სამყაროს მთლიანი მასის უფრო და უფრო მეტი დაგროვება. ამან უნდა გამოიწვიოს მისი გაფართოების შენელება და შემდეგ შეკუმშვა. მეორეს მხრივ, შავი ხვრელების შერწყმისას მათი მასის მნიშვნელოვანი ნაწილი იკარგება გრავიტაციული ტალღების ენერგიით. აქედან გამომდინარე, მიღებული ხვრელი უფრო მსუბუქი იქნება ვიდრე მისი ყოფილი პირობების ჯამი (მაგალითად, LIGO-ს მიერ დაფიქსირებული პირველი გრავიტაციული ტალღა დაიბადა, როდესაც 36 და 29 მზის მასის შავი ხვრელები შერწყმულია და წარმოიქმნება ხვრელი, რომლის მასა მხოლოდ "მხოლოდ" "62 მზის მასა). ასე რომ, სამყაროს ასევე შეუძლია დაკარგოს მასა, შეკუმშვა და ავსება კიდევ უფრო დიდი შავი ხვრელებით, მათ შორის ერთ-ერთი უდიდესი - ცენტრალური.

საბოლოოდ, შავი ხვრელების შერწყმის ხანგრძლივი სერიის შემდეგ, როდესაც სამყაროს მასის მნიშვნელოვანი ნაწილი გრავიტაციული ტალღების სახით „გაჟონავს“, ის დაიწყებს გაფანტვას ყველა მიმართულებით. გარედან ის აფეთქებას დაემსგავსება - დიდი აფეთქება. კლასიკური Big Rebound სურათისგან განსხვავებით, წინა სამყაროს სრული განადგურება ასეთ მოდელში არ ხდება და ახალი სამყარო პირდაპირ მემკვიდრეობით იღებს ზოგიერთ ობიექტს მშობლისგან. უპირველეს ყოვლისა, ეს არის ერთი და იგივე შავი ხვრელები, რომლებიც მზად არიან კვლავ შეასრულონ მასში ორივე მთავარი როლი - ბნელი მატერიაც და ბნელი ენერგია.

დიდი წინამორბედი

ასე რომ, ამ უჩვეულო სურათში ბნელი მატერია აღმოჩნდება დიდი შავი ხვრელები, რომლებიც მემკვიდრეობითაა სამყაროდან სამყაროში. მაგრამ არ უნდა დავივიწყოთ „ცენტრალური“შავი ხვრელი, რომელიც ყოველ ასეთ სამყაროში უნდა ჩამოყალიბდეს სიკვდილის წინა დღეს და გაგრძელდეს შემდეგში.ასტროფიზიკოსების გამოთვლებმა აჩვენა, რომ მისმა მასამ ჩვენს დღევანდელ სივრცეში შეიძლება მიაღწიოს წარმოუდგენელ 6 x 1051 კგ-ს, მთელი ბარიონული მატერიის მასის 1/20-ს და მუდმივად გაიზარდოს. მისმა ზრდამ შეიძლება გამოიწვიოს სივრცე-დროის უფრო სწრაფი გაფართოება და გამოვლინდეს სამყაროს აჩქარებული გაფართოების სახით.

რა თქმა უნდა, ასეთი ციკლოპური მასის არსებობამ უნდა გამოიწვიოს შესამჩნევი არაჰომოგენურობის გამოჩენა სამყაროს ფართომასშტაბიან სტრუქტურაში. ასეთი ჰეტეროგენურობის კანდიდატი უკვე არსებობს - ბოროტების ასტრონომიული ღერძი. ეს არის სამყაროს ანიზოტროპიის შედარებით სუსტი, მაგრამ ძალიან საგანგაშო ნიშნები - სტრუქტურა, რომელიც მასში ყველაზე დიდი მასშტაბით ვლინდება და არანაირად არ ეთანხმება კლასიკურ შეხედულებებს დიდი აფეთქების შესახებ და ყველაფერი, რაც მას შემდეგ მოხდა.

გზაში ეგზოტიკური ჰიპოთეზა კიდევ ერთ ასტრონომიულ გამოცანას ხსნის - სუპერმასიური შავი ხვრელების მოულოდნელად ადრეული გამოჩენის პრობლემას. ასეთი ობიექტები განლაგებულია დიდი გალაქტიკების ცენტრებში და გაურკვეველი საშუალებებით მოახერხეს მასის მოპოვება მილიონობით და მილიარდობით მზის მასით უკვე სამყაროს არსებობის პირველ 1-2 მილიარდ წელიწადში. გაუგებარია, პრინციპში საიდან შეეძლოთ ამდენი ნივთიერების პოვნა და მით უმეტეს, როდის შეეძლოთ მისი შთანთქმის დრო. მაგრამ „მემკვიდრეობით“შავი ხვრელების იდეის ფარგლებში, ეს კითხვები ამოღებულია, რადგან მათი ემბრიონები შეიძლებოდა ჩვენამდე მოხვედრილიყო წარსული სამყაროდან.

სამწუხაროა, რომ გორკავის ექსტრავაგანტული ჰიპოთეზა მაინც მხოლოდ ჰიპოთეზაა. იმისათვის, რომ ის სრულფასოვან თეორიად იქცეს, აუცილებელია, რომ მისი პროგნოზები ემთხვეოდეს დაკვირვების მონაცემებს - და ისეთს, რაც არ შეიძლება აიხსნას ტრადიციული მოდელებით. რა თქმა უნდა, მომავალი კვლევები შესაძლებელს გახდის ფანტასტიკური გამოთვლების რეალობასთან შედარებას, მაგრამ ეს აშკარად არ მოხდება უახლოეს მომავალში. ამიტომ, მიუხედავად იმისა, რომ კითხვები სად იმალება ბნელი მატერია და რა არის ბნელი ენერგია, პასუხგაუცემელი რჩება.