"ماده تاریک" نامرئی در فضا کهکشان ها را وادار به تکامل می کند

2024 نویسنده: Seth Attwood | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-16 16:03

هر چه معمای ماده تاریک بیشتر حل نشده باقی بماند، فرضیه های عجیب و غریب تری در مورد ماهیت آن ظاهر می شود، از جمله جدیدترین ایده به ارث بردن سیاهچاله های غول پیکر از جهان قبلی.

برای اینکه بدانیم چیزی وجود دارد، دیدن آن ضروری نیست. بنابراین زمانی، با توجه به تأثیر گرانشی بر حرکت اورانوس، نپتون و پلوتون کشف شدند و امروز جستجو برای سیاره X فرضی در حومه منظومه شمسی در جریان است. اما اگر چنین تأثیری را در همه جای کیهان پیدا کنیم، چه؟ به عنوان مثال کهکشان ها را در نظر بگیرید. به نظر می رسد که اگر قرص کهکشانی بچرخد، سرعت ستارگان باید با افزایش مدار کاهش یابد. به عنوان مثال، این مورد در مورد سیارات منظومه شمسی است: زمین با سرعت 29.8 کیلومتر در ثانیه به دور خورشید می چرخد و پلوتون با سرعت 4.7 کیلومتر در ثانیه. با این حال، قبلاً در دهه 1930، مشاهدات سحابی آندرومدا نشان داد که سرعت چرخش ستارگان آن تقریباً ثابت می ماند، صرف نظر از اینکه در اطراف چقدر دور هستند. این وضعیت برای کهکشان ها معمول است و از جمله دلایل دیگر، منجر به پیدایش مفهوم ماده تاریک شد.

کارناوال مشکلات

اعتقاد بر این است که ما مستقیماً آن را نمی‌بینیم: این ماده مرموز عملاً با ذرات معمولی برهم‌کنش نمی‌کند، از جمله اینکه فوتون‌ها را ساطع یا جذب نمی‌کند، اما می‌توانیم با اثر گرانشی روی اجسام دیگر متوجه آن شویم. مشاهدات حرکات ستارگان و ابرهای گازی این امکان را فراهم می کند که نقشه های دقیقی از هاله ماده تاریک اطراف قرص کهکشان راه شیری تهیه شود و در مورد نقش مهمی که در تکامل کهکشان ها، خوشه ها و کل مقیاس بزرگ ایفا می کند صحبت شود. ساختار کیهان با این حال، مشکلات بیشتر آغاز می شود. این ماده تاریک مرموز چیست؟ از چه چیزهایی تشکیل شده است و ذرات آن چه خواصی دارند؟

برای سال‌های متمادی، WIMP ها کاندیدای اصلی این نقش بوده‌اند - ذرات فرضی که قادر به شرکت در هیچ تعاملی غیر از گرانشی نیستند. آنها سعی می کنند آنها را هم به طور غیرمستقیم، از طریق محصولات برهمکنش های نادر با ماده معمولی و هم به طور مستقیم، با استفاده از ابزارهای قدرتمند، از جمله برخورد دهنده بزرگ هادرون، شناسایی کنند. افسوس، در هر دو مورد، هیچ نتیجه ای وجود ندارد.

سابین هوسنفلدر، استاد دانشگاه فرانکفورت می‌گوید: «سناریویی که در آن LHC فقط بوزون هیگز و هیچ چیز دیگری را می‌یابد، به دلایلی «سناریوی کابوس» نامیده می‌شود. "این واقعیت که هیچ نشانه ای از فیزیک جدید پیدا نشد، به عنوان یک سیگنال روشن برای من عمل می کند: اینجا چیزی اشتباه است." دانشمندان دیگر نیز این سیگنال را دریافت کردند. پس از انتشار نتایج منفی جستجو برای ردپای ماده تاریک با استفاده از LHC و سایر ابزارها، علاقه به فرضیه های جایگزین در مورد ماهیت آن به وضوح در حال افزایش است. و برخی از این راه حل ها حتی عجیب تر از کارناوال برزیلی به نظر می رسند.

هزاران سوراخ

اگر WIMP ها وجود نداشته باشند چه می شود؟ اگر ماده تاریک ماده ای است که ما نمی توانیم آن را ببینیم، اما اثرات گرانش آن را می بینیم، پس شاید آنها فقط سیاهچاله هستند؟ از نظر تئوری، در مراحل اولیه تکامل کیهان، آنها می‌توانستند در تعداد زیادی شکل گرفته باشند - نه از ستارگان غول پیکر مرده، بلکه در نتیجه فروپاشی ماده فوق متراکم و داغ که فضای رشته‌ای را پر کرده است. یک مشکل: تا کنون حتی یک سیاهچاله ازلی پیدا نشده است و مشخص نیست که آیا اصلاً وجود داشته است یا خیر. با این حال، به اندازه کافی سیاهچاله های دیگر در کیهان وجود دارند که برای این نقش مناسب هستند.

مشاهدات کاوشگر فضایی دوردست وویجر 1 هیچ اثری از تشعشعات هاوکینگ را نشان نداد که می تواند نمایانگر ظاهر سیاهچاله های اولیه با اندازه میکروسکوپی باشد. با این حال، این وجود اشیاء مشابه بزرگتر را رد نمی کند.از سال 2015، تداخل سنج LIGO تاکنون 11 موج گرانشی را ثبت کرده است که 10 مورد از آنها به دلیل ادغام جفت سیاهچاله ها با جرم های ده ها جرم خورشیدی ایجاد شده اند. این به خودی خود بسیار غیرمنتظره است، زیرا چنین اجرامی در نتیجه انفجارهای ابرنواختری تشکیل می شوند و ستاره مرده در این فرآیند بیشتر جرم خود را از دست می دهد. به نظر می رسد که پیش سازهای سوراخ های ادغام شده، ستارگانی با اندازه های واقعاً سیکلوپی بوده اند که نباید برای مدت طولانی در جهان متولد می شدند. مشکل دیگر با تشکیل سیستم های باینری توسط آنها ایجاد می شود. انفجار ابرنواختری رویدادی است به قدری قدرتمند که هر جسم نزدیک به دور پرتاب می شود. به عبارت دیگر، LIGO امواج گرانشی را از اجسام شناسایی کرده است که ظاهر آنها همچنان یک راز باقی مانده است.

در پایان سال 2018، نیکلای گورکاوی، اخترفیزیکدان موسسه علم و فناوری گرینویچ و جان ماتر، برنده جایزه نوبل، به چنین اشیایی نزدیک شدند. محاسبات آنها نشان داد که سیاهچاله‌هایی با جرم ده‌ها جرم خورشیدی به خوبی می‌توانند یک هاله کهکشانی ایجاد کنند که عملاً برای رصد نامرئی باقی می‌ماند و در عین حال، تمام ناهنجاری‌های مشخصه را در ساختار و حرکت کهکشان‌ها ایجاد می‌کند. به نظر می رسد، تعداد مورد نیاز چنین سیاهچاله های بزرگی از کجا در حاشیه دور کهکشان آمده است؟ به هر حال، اکثریت قریب به اتفاق ستارگان پرجرم در نزدیکی مرکز متولد می شوند و می میرند. پاسخی که گورکاوی و ماتر می‌دهند تقریباً باورنکردنی است: این سیاه‌چاله‌ها «نیامده‌اند»، به یک معنا همیشه وجود داشته‌اند، از همان ابتدای پیدایش کیهان. اینها بقایای چرخه قبلی در یک توالی بی پایان از انبساط و انقباضات جهان هستند.

خط جامد سرعت مداری واقعی ستارگان و گازهایی را که به دور مرکز کهکشان می چرخند را نشان می دهد. نقطه چین - در غیاب تأثیر ماده تاریک مورد انتظار است.

یادگارهای تولد دوباره

به طور کلی، Big Bounce یک مدل جدید در کیهان شناسی نیست، هرچند اثبات نشده، که همتراز با بسیاری از فرضیه های دیگر در مورد تکامل کیهان است. این امکان وجود دارد که در زندگی جهان، دوره های انبساط در واقع با انقباض، "فروپاشی بزرگ" - و یک جهش-انفجار جدید، تولد جهان نسل بعدی جایگزین شود. با این حال، در مدل جدید، این چرخه‌ها توسط سیاه‌چاله‌ها هدایت می‌شوند، که هم به عنوان ماده تاریک و هم به عنوان انرژی تاریک عمل می‌کنند - یک ماده یا نیروی مرموز که باعث انبساط سریع جهان ما می‌شود.

فرض بر این است که سیاهچاله ها با جذب ماده و ادغام با یکدیگر، می توانند بیشتر و بیشتر از کل جرم کیهان را جمع کنند. این باید منجر به کاهش سرعت گسترش آن و سپس انقباض شود. از سوی دیگر، هنگامی که سیاهچاله ها با هم ادغام می شوند، بخش قابل توجهی از جرم آنها با انرژی امواج گرانشی از بین می رود. بنابراین، حفره حاصل از مجموع شرایط قبلی خود سبک‌تر خواهد بود (به عنوان مثال، اولین موج گرانشی ثبت شده توسط LIGO زمانی متولد شد که سیاهچاله‌های 36 و 29 خورشیدی با تشکیل حفره‌ای با جرم «فقط» ادغام شدند. 62 جرم خورشیدی). بنابراین جهان همچنین می‌تواند جرم خود را از دست بدهد، منقبض شده و با سیاهچاله‌های بزرگ‌تر، از جمله یکی از بزرگ‌ترین‌ها - سیاه‌چاله پر شود.

سرانجام، پس از یک سری طولانی از ادغام سیاهچاله ها، هنگامی که بخش قابل توجهی از جرم کیهان به شکل امواج گرانشی "نشت" می کند، شروع به پراکندگی در همه جهات خواهد کرد. از بیرون مانند یک انفجار به نظر می رسد - انفجار بزرگ. برخلاف تصویر کلاسیک Big Rebound، نابودی کامل دنیای قبلی در چنین مدلی اتفاق نمی‌افتد و جهان جدید مستقیماً برخی از اشیاء را از والدین به ارث می‌برد. اول از همه، اینها همه همان سیاهچاله ها هستند که آماده هستند دوباره هر دو نقش اصلی را در آن ایفا کنند - هم ماده تاریک و هم انرژی تاریک.

مادر بزرگ

بنابراین، در این تصویر غیر معمول، ماده تاریک سیاهچاله های بزرگی هستند که از کیهان به جهان به ارث رسیده اند. اما ما نباید سیاهچاله "مرکزی" را فراموش کنیم، سیاهچاله ای که باید در هر یک از چنین دنیایی در آستانه مرگش شکل بگیرد و در دنیای بعدی باقی بماند.محاسبات اخترفیزیکدانان نشان داده است که جرم آن در فضای امروزی ما می تواند به 1051×6 کیلوگرم برسد، یعنی 1/20 جرم کل ماده باریونی، و پیوسته افزایش یابد. رشد آن می تواند منجر به انبساط سریعتر فضا-زمان شود و خود را به عنوان یک انبساط پرشتاب جهان نشان دهد.

البته وجود چنین توده‌ای سیکلوپی باید به ظهور ناهمگونی‌های محسوس در ساختار بزرگ مقیاس کیهان منجر شود. در حال حاضر یک نامزد برای چنین ناهمگونی وجود دارد - محور نجومی شر. اینها نشانه های نسبتا ضعیف، اما بسیار نگران کننده ای از ناهمسانگردی جهان هستند - ساختاری که در آن در بزرگترین مقیاس ظاهر می شود و به هیچ وجه با دیدگاه های کلاسیک در مورد بیگ بنگ و همه چیزهایی که پس از آن اتفاق افتاد موافق نیست.

در طول مسیر، فرضیه عجیب و غریب معمای نجومی دیگری را نیز حل می کند - مشکل ظهور اولیه غیرمنتظره سیاهچاله های کلان جرم. چنین اجرامی در مراکز کهکشان های بزرگ قرار دارند و به وسیله ابزارهای ناشناخته توانسته اند در 1-2 میلیارد سال اول وجود کیهان جرمی در میلیون ها و حتی میلیاردها جرم خورشیدی بدست آورند. معلوم نیست اصولاً از کجا می‌توانستند این همه ماده پیدا کنند و حتی بیشتر از آن چه زمانی می‌توانستند آن را جذب کنند. اما در چارچوب ایده سیاهچاله‌های "ارثی"، این سوالات حذف می‌شوند، زیرا جنین‌های آنها می‌توانست از جهان گذشته به ما رسیده باشد.

حیف که فرضیه ولخرجی گورکاوی هنوز فقط یک فرضیه است. برای اینکه این نظریه به یک نظریه کامل تبدیل شود، لازم است که پیش‌بینی‌های آن با داده‌های مشاهده‌ای منطبق باشد - و با آن‌هایی که با مدل‌های سنتی قابل توضیح نیستند. البته تحقیقات آینده امکان مقایسه محاسبات خارق العاده با واقعیت را فراهم می کند، اما بدیهی است که در آینده نزدیک این اتفاق نخواهد افتاد. بنابراین، در حالی که سؤالات در مورد اینکه ماده تاریک در کجا پنهان است و انرژی تاریک چیست، بی پاسخ می ماند.