"Vật chất tối" vô hình trong không gian đang buộc các thiên hà tiến hóa

2024 Tác giả: Seth Attwood | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-16 16:20

Bí ẩn về vật chất tối chưa được giải đáp càng lâu, thì càng có nhiều giả thuyết kỳ lạ về bản chất của nó xuất hiện, bao gồm cả ý tưởng mới nhất về sự kế thừa của các lỗ đen khổng lồ từ Vũ trụ trước đó.

Để biết rằng một cái gì đó tồn tại, không cần phải nhìn thấy nó. Vì vậy, một lần, theo ảnh hưởng của lực hấp dẫn đối với sự chuyển động của Sao Thiên Vương, Sao Hải Vương và Sao Diêm Vương đã được phát hiện, và ngày nay một cuộc tìm kiếm Hành tinh X giả định đang được tiến hành ở vùng ngoại ô xa xôi của Hệ mặt trời. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta tìm thấy một ảnh hưởng như vậy ở khắp mọi nơi trong Vũ trụ? Lấy ví dụ như các thiên hà. Có vẻ như nếu đĩa thiên hà quay, thì tốc độ của các ngôi sao sẽ giảm khi quỹ đạo tăng dần. Ví dụ, đây là trường hợp của các hành tinh trong hệ Mặt trời: Trái đất lao quanh Mặt trời với tốc độ 29,8 km / s, và sao Diêm Vương - với tốc độ 4,7 km / s. Tuy nhiên, vào những năm 1930, các quan sát về tinh vân Tiên nữ đã cho thấy tốc độ quay của các ngôi sao của nó hầu như không đổi, bất kể chúng ở ngoại vi bao xa. Tình trạng này là điển hình cho các thiên hà, và trong số các lý do khác, nó đã dẫn đến sự xuất hiện của khái niệm vật chất tối.

Lễ hội của những vấn đề

Người ta tin rằng chúng ta không nhìn thấy nó trực tiếp: chất bí ẩn này thực tế không tương tác với các hạt thông thường, bao gồm cả nó không phát ra hoặc hấp thụ photon, nhưng chúng ta có thể nhận thấy nó bằng hiệu ứng hấp dẫn đối với các vật thể khác. Các quan sát về chuyển động của các ngôi sao và đám mây khí giúp chúng ta có thể lập bản đồ chi tiết về quầng vật chất tối xung quanh đĩa Ngân Hà, nói về vai trò quan trọng của nó trong sự tiến hóa của các thiên hà, các cụm và toàn bộ quy mô lớn. cấu trúc của Vũ trụ. Tuy nhiên, những khó khăn hơn nữa bắt đầu. Vật chất tối bí ẩn này là gì? Nó bao gồm những gì và các hạt của nó có những tính chất gì?

Trong nhiều năm, WIMP là ứng cử viên chính cho vai trò này - các hạt giả định không thể tham gia vào bất kỳ tương tác nào ngoài lực hấp dẫn. Họ đang cố gắng phát hiện chúng bằng cả hai cách gián tiếp, bằng sản phẩm của những tương tác hiếm gặp với vật chất thông thường, và trực tiếp, bằng cách sử dụng các công cụ mạnh mẽ, bao gồm Máy va chạm Hadron Lớn. Than ôi, trong cả hai trường hợp, không có kết quả.

Sabine Hossenfelder, giáo sư tại Đại học Frankfurt, cho biết: “Kịch bản trong đó LHC chỉ tìm thấy boson Higgs và không có gì khác được gọi là 'kịch bản ác mộng' vì một lý do nào đó. "Thực tế là không có dấu hiệu vật lý mới nào được tìm thấy cho tôi như một tín hiệu rõ ràng: có điều gì đó không ổn ở đây." Các nhà khoa học khác cũng bắt được tín hiệu này. Sau khi công bố kết quả tiêu cực về các cuộc tìm kiếm dấu vết của vật chất tối bằng LHC và các công cụ khác, sự quan tâm đến các giả thuyết thay thế về bản chất của nó ngày càng rõ ràng. Và một số giải pháp này trông còn kỳ lạ hơn lễ hội hóa trang của Brazil.

Vô số lỗ

Điều gì sẽ xảy ra nếu WIMP không tồn tại? Nếu vật chất tối là vật chất mà chúng ta không thể nhìn thấy, nhưng chúng ta thấy tác động của lực hấp dẫn của nó, thì có lẽ chúng chỉ là lỗ đen? Về mặt lý thuyết, vào những giai đoạn đầu tiên của sự tiến hóa của Vũ trụ, chúng có thể đã hình thành với số lượng khổng lồ - không phải từ những ngôi sao khổng lồ đã chết, mà là kết quả của sự sụp đổ của vật chất siêu nặng và nóng lấp đầy không gian nóng sáng. Một vấn đề: cho đến nay vẫn chưa có một lỗ đen nguyên thủy nào được tìm thấy và người ta không biết chắc liệu chúng có từng tồn tại hay không. Tuy nhiên, có đủ các lỗ đen khác trong Vũ trụ phù hợp với vai trò này.

Các quan sát của tàu thăm dò vũ trụ xa xôi Voyager 1 không cho thấy bất kỳ dấu vết nào của bức xạ Hawking, có thể cho thấy sự xuất hiện của các lỗ đen nguyên thủy có kích thước siêu nhỏ. Tuy nhiên, điều này không loại trừ sự tồn tại của các vật thể tương tự lớn hơn. Kể từ năm 2015, giao thoa kế LIGO đã ghi nhận 11 sóng hấp dẫn và 10 trong số đó là do sự hợp nhất của các cặp lỗ đen có khối lượng bằng hàng chục lần khối lượng Mặt trời. Bản thân điều này là cực kỳ bất ngờ, bởi vì những vật thể như vậy được hình thành do kết quả của các vụ nổ siêu tân tinh, và ngôi sao đã chết mất phần lớn khối lượng trong quá trình này. Hóa ra tiền thân của các lỗ hợp nhất là những ngôi sao có kích thước thực sự là xyclopean, lẽ ra đã không được sinh ra trong Vũ trụ trong một thời gian dài. Một vấn đề khác được tạo ra bởi sự hình thành các hệ thống nhị phân của chúng. Một vụ nổ siêu tân tinh là một sự kiện mạnh đến mức bất kỳ vật thể nào ở gần cũng sẽ bị ném ra xa. Nói cách khác, LIGO đã phát hiện ra sóng hấp dẫn từ các vật thể, sự xuất hiện của chúng vẫn còn là một bí ẩn.

Vào cuối năm 2018, những vật thể như vậy đã được tiếp cận bởi nhà vật lý thiên văn của Viện Khoa học và Công nghệ Greenwich Nikolai Gorkavy và người đoạt giải Nobel John Mather. Các tính toán của họ cho thấy rằng các lỗ đen có khối lượng bằng hàng chục lần khối lượng Mặt Trời có thể tạo thành một quầng thiên hà, mà thực tế sẽ không thể nhìn thấy được để quan sát và đồng thời, tạo ra tất cả các dị thường đặc trưng trong cấu trúc và chuyển động của các thiên hà. Có vẻ như, nơi ngoại vi xa xôi của thiên hà có đủ số lượng lỗ đen lớn như vậy cần thiết? Rốt cuộc, phần lớn các ngôi sao lớn được sinh ra và chết ở gần tâm hơn. Câu trả lời mà Gorkavy và Mather đưa ra gần như không thể tin được: những lỗ đen này không hề "đến", theo một nghĩa nào đó, chúng đã luôn tồn tại, ngay từ thuở sơ khai của Vũ trụ. Đây là những phần còn lại của chu kỳ trước trong một chuỗi vô tận của sự mở rộng và co lại của thế giới.

Đường liền nét cho thấy vận tốc quỹ đạo thực của các ngôi sao và khí quay quanh trung tâm của thiên hà; chấm - dự kiến trong trường hợp không có ảnh hưởng của vật chất tối.

Di tích của sự tái sinh

Nói chung, Big Bounce không phải là một mô hình mới trong vũ trụ học, mặc dù chưa được chứng minh, tồn tại ngang hàng với nhiều giả thuyết khác về sự tiến hóa của vũ trụ. Có thể trong sự sống của vũ trụ, các giai đoạn giãn nở thực sự được thay thế bằng sự co lại, "Big Collapse" - và một vụ nổ nảy mới, sự ra đời của thế giới thế hệ tiếp theo. Tuy nhiên, trong mô hình mới, các chu kỳ này được tiến hành bởi các lỗ đen, hoạt động như cả vật chất tối và năng lượng tối - một chất hoặc lực bí ẩn gây ra sự giãn nở gia tốc của Vũ trụ của chúng ta.

Người ta cho rằng bằng cách hấp thụ vật chất và hợp nhất với nhau, các lỗ đen có thể tích tụ ngày càng nhiều hơn tổng khối lượng của Vũ trụ. Điều này sẽ dẫn đến sự giãn nở của nó chậm lại và sau đó là co lại. Mặt khác, khi các lỗ đen hợp nhất, một phần đáng kể khối lượng của chúng bị mất đi do năng lượng của sóng hấp dẫn. Do đó, lỗ tạo thành sẽ nhẹ hơn tổng các số hạng trước đây của nó (ví dụ, sóng hấp dẫn đầu tiên được LIGO ghi lại được sinh ra khi các lỗ đen có khối lượng 36 và 29 khối lượng Mặt Trời hợp nhất với sự hình thành của một lỗ có khối lượng "duy nhất. "62 lần khối lượng mặt trời). Vì vậy, Vũ trụ cũng có thể mất khối lượng, co lại và lấp đầy bởi các lỗ đen lớn hơn bao giờ hết, bao gồm một trong những lỗ đen lớn nhất - trung tâm.

Cuối cùng, sau một chuỗi dài các vụ sáp nhập các lỗ đen, khi một phần đáng kể khối lượng của Vũ trụ "rò rỉ" dưới dạng sóng hấp dẫn, nó sẽ bắt đầu phân tán theo mọi hướng. Nhìn từ bên ngoài, nó sẽ giống như một vụ nổ - Vụ nổ lớn. Không giống như bức tranh Big Rebound cổ điển, sự hủy diệt hoàn toàn của thế giới trước đó không xảy ra trong một mô hình như vậy, và Vũ trụ mới kế thừa trực tiếp một số vật thể từ mẹ. Trước hết, đây đều là những lỗ đen giống nhau, sẵn sàng đóng lại cả hai vai trò chính trong đó - cả vật chất tối và năng lượng tối.

Người mẹ tuyệt vời

Vì vậy, trong bức tranh bất thường này, vật chất tối hóa ra là các lỗ đen lớn, được di truyền từ Vũ trụ sang Vũ trụ. Nhưng chúng ta không được quên về lỗ đen "trung tâm", sẽ hình thành trong mỗi thế giới như vậy vào đêm trước cái chết của nó và tồn tại trong tương lai. Các tính toán của các nhà vật lý thiên văn đã chỉ ra rằng khối lượng của nó trong không gian ngày nay của chúng ta có thể đạt tới 6 x 1051 kg đáng kinh ngạc, bằng 1/20 khối lượng của tất cả các vật chất baryonic và liên tục tăng lên. Sự phát triển của nó có thể dẫn đến sự mở rộng không-thời gian ngày càng nhanh hơn và tự nó thể hiện là sự mở rộng ngày càng nhanh của Vũ trụ.

Tất nhiên, sự hiện diện của một khối lượng xyclopean như vậy sẽ dẫn đến sự xuất hiện của những bất đồng nhất đáng chú ý trong cấu trúc quy mô lớn của Vũ trụ. Đã có một ứng cử viên cho sự không đồng nhất như vậy - Trục Ác ma thiên văn. Đây là những dấu hiệu tương đối yếu, nhưng rất đáng báo động về tính dị hướng của Vũ trụ - cấu trúc thể hiện ở nó trên quy mô lớn nhất và không đồng ý với quan điểm cổ điển về Vụ nổ lớn và mọi thứ xảy ra sau đó.

Đồng thời, giả thuyết kỳ lạ cũng giải quyết một câu đố thiên văn khác - vấn đề về sự xuất hiện sớm bất ngờ của các lỗ đen siêu lớn. Những vật thể như vậy nằm ở trung tâm của các thiên hà lớn và bằng cách nào chưa biết, đã cố gắng đạt được khối lượng bằng hàng triệu, thậm chí hàng tỷ lần khối lượng Mặt Trời trong 1-2 tỷ năm đầu tiên vũ trụ tồn tại. Không rõ về nguyên tắc, họ có thể tìm thấy ở đâu nhiều chất như vậy, và thậm chí nhiều hơn thế khi họ có thể có thời gian để hấp thụ chất đó. Nhưng trong khuôn khổ của ý tưởng với các lỗ đen "kế thừa", những câu hỏi này bị loại bỏ, bởi vì phôi của chúng có thể đã đến với chúng ta từ Vũ trụ trong quá khứ.

Thật đáng tiếc khi giả thuyết ngông cuồng của Gorkavy vẫn chỉ là giả thuyết. Để nó trở thành một lý thuyết chính thức, điều cần thiết là các dự đoán của nó phải trùng khớp với dữ liệu quan sát - và điều đó không thể giải thích được bằng các mô hình truyền thống. Tất nhiên, nghiên cứu trong tương lai sẽ cho phép so sánh những tính toán tuyệt vời với thực tế, nhưng điều này rõ ràng sẽ không xảy ra trong tương lai gần. Do đó, trong khi những câu hỏi về nơi ẩn chứa vật chất tối và năng lượng tối là gì, vẫn chưa được giải đáp.