"Materi gelap" yang tidak terlihat di luar angkasa memaksa galaksi untuk berevolusi

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-16 16:08

Semakin lama misteri materi gelap tetap tidak terpecahkan, semakin banyak hipotesis eksotis tentang sifatnya yang muncul, termasuk gagasan terbaru tentang pewarisan lubang hitam raksasa dari Alam Semesta sebelumnya.

Untuk mengetahui bahwa sesuatu itu ada, tidak perlu melihatnya. Jadi sekali, menurut pengaruh gravitasi pada pergerakan Uranus, Neptunus dan Pluto ditemukan, dan hari ini pencarian sedang dilakukan untuk Planet X hipotetis di pinggiran jauh tata surya. Tetapi bagaimana jika kita menemukan pengaruh seperti itu di mana-mana di Semesta? Ambil galaksi, misalnya. Tampaknya jika piringan galaksi berputar, maka kecepatan bintang-bintang akan berkurang dengan meningkatnya orbit. Ini, misalnya, terjadi pada planet-planet tata surya: Bumi mengelilingi Matahari dengan kecepatan 29,8 km / s, dan Pluto - pada 4,7 km / s. Namun, sudah pada tahun 1930-an, pengamatan nebula Andromeda menunjukkan bahwa kecepatan rotasi bintang-bintangnya tetap hampir konstan, tidak peduli seberapa jauh mereka berada di pinggirannya. Situasi ini khas untuk galaksi, dan di antara alasan lain, hal itu menyebabkan munculnya konsep materi gelap.

Karnaval masalah

Diyakini bahwa kita tidak melihatnya secara langsung: zat misterius ini praktis tidak berinteraksi dengan partikel biasa, termasuk tidak memancarkan atau menyerap foton, tetapi kita dapat melihatnya melalui efek gravitasi pada benda lain. Pengamatan pergerakan bintang dan awan gas memungkinkan untuk menyusun peta terperinci dari halo materi gelap yang mengelilingi piringan Bima Sakti, berbicara tentang peran penting yang dimainkannya dalam evolusi galaksi, gugus, dan seluruh skala besar. struktur alam semesta. Namun, kesulitan lebih lanjut dimulai. Apa materi gelap misterius ini? Terdiri dari apa dan sifat apa yang dimiliki partikelnya?

Selama bertahun-tahun, WIMP telah menjadi kandidat utama untuk peran ini - partikel hipotetis yang tidak dapat berpartisipasi dalam interaksi apa pun selain gravitasi. Mereka mencoba mendeteksi keduanya secara tidak langsung, melalui produk interaksi langka dengan materi biasa, dan secara langsung, menggunakan instrumen yang kuat, termasuk Large Hadron Collider. Sayangnya, dalam kedua kasus, tidak ada hasil.

“Skenario di mana LHC hanya menemukan Higgs boson dan tidak ada yang lain disebut 'skenario mimpi buruk' karena suatu alasan,” kata Sabine Hossenfelder, seorang profesor di Universitas Frankfurt. "Fakta bahwa tidak ada tanda-tanda fisika baru yang ditemukan memberi saya sinyal yang tidak ambigu: ada sesuatu yang salah di sini." Ilmuwan lain juga menangkap sinyal ini. Setelah publikasi hasil negatif pencarian jejak materi gelap menggunakan LHC dan instrumen lainnya, minat pada hipotesis alternatif tentang sifatnya jelas berkembang. Dan beberapa solusi ini terlihat lebih eksotis daripada karnaval Brasil.

Segudang lubang

Bagaimana jika WIMP tidak ada? Jika materi gelap adalah materi yang tidak dapat kita lihat, tetapi kita melihat efek gravitasinya, maka mungkinkah itu hanya lubang hitam? Secara teoritis, pada tahap awal evolusi Semesta, mereka dapat terbentuk dalam jumlah besar - bukan dari bintang raksasa yang mati, tetapi sebagai akibat dari runtuhnya materi superpadat dan panas yang memenuhi ruang pijar. Satu masalah: sejauh ini tidak ada satu pun lubang hitam purba yang ditemukan, dan tidak diketahui secara pasti apakah lubang hitam itu pernah ada. Namun, ada cukup banyak lubang hitam lain di Alam Semesta yang cocok untuk peran ini.

Pengamatan wahana antariksa Voyager 1 yang jauh tidak mengungkapkan jejak radiasi Hawking, yang dapat menunjukkan penampakan lubang hitam purba berukuran mikroskopis. Namun, ini tidak mengecualikan keberadaan objek serupa yang lebih besar. Sejak 2015, interferometer LIGO telah mencatat 11 gelombang gravitasi, dan 10 di antaranya disebabkan oleh penggabungan pasangan lubang hitam dengan massa puluhan massa matahari. Ini sendiri sangat tidak terduga, karena benda-benda seperti itu terbentuk sebagai akibat dari ledakan supernova, dan bintang yang mati kehilangan sebagian besar massanya dalam proses tersebut. Ternyata prekursor lubang yang bergabung adalah bintang dengan ukuran yang sangat besar, yang seharusnya tidak lahir di Semesta untuk waktu yang lama. Masalah lain diciptakan oleh pembentukan sistem biner oleh mereka. Ledakan supernova adalah peristiwa yang sangat kuat sehingga benda yang dekat akan terlempar jauh. Dengan kata lain, LIGO telah mendeteksi gelombang gravitasi dari objek, yang penampakannya masih menjadi misteri.

Pada akhir 2018, benda-benda tersebut didekati oleh astrofisikawan Institut Sains dan Teknologi Greenwich Nikolai Gorkavy dan peraih Nobel John Mather. Perhitungan mereka menunjukkan bahwa lubang hitam dengan massa puluhan massa matahari dapat dengan baik menambahkan lingkaran galaksi, yang praktis tidak terlihat untuk pengamatan dan, pada saat yang sama, menciptakan semua anomali karakteristik dalam struktur dan pergerakan galaksi. Tampaknya, di bagian terjauh galaksi dari mana datangnya jumlah lubang hitam sebesar itu yang diperlukan? Bagaimanapun, sebagian besar bintang masif lahir dan mati lebih dekat ke pusat. Jawaban yang diberikan Gorkavy dan Mather hampir tidak dapat dipercaya: lubang hitam ini tidak "datang", dalam arti tertentu mereka selalu ada, sejak awal Semesta. Ini adalah sisa-sisa dari siklus sebelumnya dalam urutan ekspansi dan kontraksi dunia yang tak ada habisnya.

Garis padat menunjukkan kecepatan orbit nyata bintang dan gas yang mengorbit pusat galaksi; putus-putus - diharapkan tanpa adanya pengaruh materi gelap.

Peninggalan kelahiran kembali

Secara umum, Big Bounce bukanlah model baru dalam kosmologi, meskipun belum terbukti, yang ada setara dengan banyak hipotesis lain tentang evolusi kosmos. Ada kemungkinan bahwa dalam kehidupan alam semesta, periode ekspansi memang digantikan oleh kontraksi, "Keruntuhan Besar" - dan ledakan pantulan baru, kelahiran dunia generasi berikutnya. Namun, dalam model baru, siklus ini dilakukan oleh lubang hitam, bertindak sebagai materi gelap dan energi gelap - zat atau kekuatan misterius yang menyebabkan percepatan ekspansi Alam Semesta kita.

Diasumsikan bahwa dengan menyerap materi dan bergabung satu sama lain, lubang hitam dapat mengakumulasi lebih banyak dan lebih banyak lagi dari total massa Semesta. Ini akan menyebabkan perlambatan dalam ekspansi dan kemudian kontraksi. Di sisi lain, ketika lubang hitam bergabung, sebagian besar massanya hilang dengan energi gelombang gravitasi. Oleh karena itu, lubang yang dihasilkan akan lebih ringan dari jumlah istilah sebelumnya (misalnya, gelombang gravitasi pertama yang dicatat oleh LIGO lahir ketika lubang hitam 36 dan 29 massa matahari bergabung dengan pembentukan lubang bermassa "hanya". " 62 massa matahari). Jadi Semesta juga bisa kehilangan massa, menyusut, dan terisi dengan lubang hitam yang lebih besar, termasuk salah satu yang terbesar - yang berada di pusat.

Akhirnya, setelah serangkaian panjang penggabungan lubang hitam, ketika sebagian besar massa Semesta "bocor" dalam bentuk gelombang gravitasi, ia akan mulai menyebar ke segala arah. Dari luar akan terlihat seperti ledakan - Big Bang. Tidak seperti gambaran Big Rebound klasik, kehancuran total dunia sebelumnya tidak terjadi dalam model seperti itu, dan Semesta baru secara langsung mewarisi beberapa objek dari induknya. Pertama-tama, ini semua adalah lubang hitam yang sama, siap untuk kembali memainkan kedua peran utama di dalamnya - baik materi gelap maupun energi gelap.

Nenek moyang yang hebat

Jadi, dalam gambar yang tidak biasa ini, materi gelap ternyata adalah lubang hitam besar, yang diwarisi dari Semesta ke Semesta. Tetapi kita tidak boleh melupakan lubang hitam "pusat", yang seharusnya terbentuk di setiap dunia seperti itu pada malam kematiannya dan bertahan di dunia berikutnya. Perhitungan oleh astrofisikawan telah menunjukkan bahwa massanya di ruang angkasa kita saat ini dapat mencapai 6 x 1051 kg yang luar biasa, 1/20 massa semua materi baryon, dan terus meningkat. Pertumbuhannya dapat menyebabkan perluasan ruang-waktu yang semakin cepat dan memanifestasikan dirinya sebagai perluasan alam semesta yang semakin cepat.

Tentu saja, kehadiran massa cyclopean seperti itu harus mengarah pada munculnya ketidakhomogenan yang nyata dalam struktur alam semesta skala besar. Sudah ada kandidat untuk heterogenitas seperti itu - Axis of Evil astronomi. Ini adalah tanda-tanda anisotropi Semesta yang relatif lemah, tetapi sangat mengkhawatirkan - struktur yang memanifestasikan dirinya di dalamnya dalam skala terbesar dan sama sekali tidak setuju dengan pandangan klasik tentang Big Bang dan segala sesuatu yang terjadi setelahnya.

Sepanjang jalan, hipotesis eksotis juga memecahkan teka-teki astronomi lainnya - masalah kemunculan awal lubang hitam supermasif yang tak terduga. Objek semacam itu terletak di pusat galaksi besar dan, dengan cara yang tidak diketahui, berhasil mendapatkan massa dalam jutaan dan bahkan miliaran massa matahari dalam 1-2 miliar tahun pertama keberadaan Semesta. Tidak jelas di mana mereka, pada prinsipnya, dapat menemukan begitu banyak zat, dan terlebih lagi ketika mereka punya waktu untuk menyerapnya. Tetapi dalam kerangka gagasan dengan lubang hitam "diwariskan", pertanyaan-pertanyaan ini dihilangkan, karena embrio mereka bisa sampai kepada kita dari Alam Semesta masa lalu.

Sangat disayangkan hipotesis boros Gorkavy masih sebatas hipotesis. Untuk menjadi teori yang lengkap, perlu bahwa prediksinya bertepatan dengan data pengamatan - dan dengan yang tidak dapat dijelaskan oleh model tradisional. Tentu saja, penelitian masa depan akan memungkinkan untuk membandingkan perhitungan fantastis dengan kenyataan, tetapi ini jelas tidak akan terjadi dalam waktu dekat. Oleh karena itu, sementara pertanyaan tentang di mana materi gelap disembunyikan dan apa itu energi gelap, tetap tidak terjawab.