"المادة المظلمة" غير المرئية في الفضاء تجبر المجرات على التطور

2024 مؤلف: Seth Attwood | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-16 15:57

كلما طالت مدة بقاء لغز المادة المظلمة بلا حل ، ظهرت فرضيات أكثر غرابة حول طبيعتها ، بما في ذلك أحدث فكرة عن وراثة الثقوب السوداء العملاقة من الكون السابق.

من أجل معرفة وجود شيء ما ، ليس من الضروري رؤيته. مرة واحدة ، وفقًا لتأثير الجاذبية على حركة أورانوس ، تم اكتشاف نبتون وبلوتو ، واليوم يجري البحث عن كوكب افتراضي X في الضواحي البعيدة للنظام الشمسي. لكن ماذا لو وجدنا مثل هذا التأثير في كل مكان في الكون؟ خذ المجرات ، على سبيل المثال. يبدو أنه إذا دار قرص المجرة ، فإن سرعة النجوم يجب أن تنخفض مع زيادة المدار. هذا ، على سبيل المثال ، هو الحال مع كواكب النظام الشمسي: تندفع الأرض حول الشمس بسرعة 29.8 كم / ثانية ، وبلوتو - بسرعة 4.7 كم / ثانية. ومع ذلك ، في الثلاثينيات من القرن الماضي ، أظهرت ملاحظات سديم أندروميدا أن سرعة دوران نجومه تظل ثابتة تقريبًا ، بغض النظر عن بُعدها في الأطراف. هذا الوضع نموذجي للمجرات ، ومن بين أسباب أخرى ، أدى إلى ظهور مفهوم المادة المظلمة.

كرنفال المشاكل

يُعتقد أننا لا نراها مباشرة: هذه المادة الغامضة لا تتفاعل عمليًا مع الجسيمات العادية ، بما في ذلك أنها لا تنبعث أو تمتص الفوتونات ، ولكن يمكننا أن نلاحظها من خلال تأثير الجاذبية على الأجسام الأخرى. تتيح ملاحظات حركات النجوم وسحب الغاز تجميع خرائط تفصيلية لهالة المادة المظلمة المحيطة بقرص مجرة درب التبانة ، وتتحدث عن الدور المهم الذي تلعبه في تطور المجرات والعناقيد والحشود الكبيرة بأكملها. هيكل الكون. ومع ذلك ، تبدأ المزيد من الصعوبات. ما هذه المادة المظلمة الغامضة؟ مما تتكون وما خصائص جسيماتها؟

لسنوات عديدة ، كانت WIMPs هي المرشحين الرئيسيين لهذا الدور - جسيمات افتراضية غير قادرة على المشاركة في أي تفاعلات غير الجاذبية. إنهم يحاولون اكتشافها بشكل غير مباشر ، من خلال منتجات التفاعلات النادرة مع المادة العادية ، وبشكل مباشر ، باستخدام أدوات قوية ، بما في ذلك مصادم الهادرونات الكبير. للأسف ، في كلتا الحالتين ، لا توجد نتائج.

تقول سابين هوسينفيلدر ، الأستاذة في جامعة فرانكفورت: "السيناريو الذي يعثر فيه مصادم الهادرونات الكبير فقط على بوزون هيغز ولا شيء آخر يُدعى" سيناريو كابوس "لسبب ما". "حقيقة أنه لم يتم العثور على أي علامات لفيزياء جديدة تخدمني كإشارة لا لبس فيها: هناك خطأ ما هنا." التقط علماء آخرون هذه الإشارة أيضًا. بعد نشر النتائج السلبية لعمليات البحث عن آثار المادة المظلمة باستخدام المصادم LHC وأدوات أخرى ، يتزايد الاهتمام بالفرضيات البديلة حول طبيعتها بشكل واضح. وبعض هذه الحلول تبدو أكثر غرابة من الكرنفال البرازيلي.

عدد لا يحصى من الثقوب

ماذا لو لم تكن WIMPs موجودة؟ إذا كانت المادة المظلمة مادة لا يمكننا رؤيتها ، لكننا نرى تأثيرات جاذبيتها ، فربما تكون مجرد ثقوب سوداء؟ من الناحية النظرية ، في المراحل الأولى من تطور الكون ، كان من الممكن أن تكون قد تشكلت بأعداد هائلة - ليس من النجوم العملاقة الميتة ، ولكن نتيجة لانهيار المادة فائقة الكثافة والساخنة التي ملأت الفضاء المتوهج. مشكلة واحدة: حتى الآن لم يتم العثور على ثقب أسود بدائي واحد ، ومن غير المعروف على وجه اليقين ما إذا كان هذا الثقب موجودًا على الإطلاق. ومع ذلك ، هناك عدد كافٍ من الثقوب السوداء الأخرى في الكون المناسبة لهذا الدور.

لم تكشف ملاحظات مسبار الفضاء البعيد فوييجر 1 عن أي آثار لإشعاع هوكينغ ، والتي يمكن أن تشير إلى ظهور ثقوب سوداء بدائية ذات حجم مجهري. ومع ذلك ، هذا لا يستبعد وجود أجسام أكبر مماثلة.منذ عام 2015 ، سجل مقياس التداخل LIGO بالفعل 11 موجة جاذبية ، و 10 منها نجمت عن اندماج أزواج من الثقوب السوداء بكتل من عشرات الكتل الشمسية. هذا في حد ذاته غير متوقع للغاية ، لأن مثل هذه الأجسام تتشكل نتيجة انفجارات المستعر الأعظم ، ويفقد النجم المتوفى معظم كتلته في هذه العملية. اتضح أن أسلاف الثقوب المندمجة كانت نجومًا ذات أحجام دائرية بالفعل ، والتي لا ينبغي أن تكون قد ولدت في الكون لفترة طويلة. يتم إنشاء مشكلة أخرى من خلال تشكيل الأنظمة الثنائية من قبلهم. انفجار سوبرنوفا هو حدث قوي للغاية بحيث يتم إلقاء أي جسم قريب منه بعيدًا. بعبارة أخرى ، اكتشف LIGO موجات الجاذبية من الأجسام ، ولا يزال ظهورها لغزًا.

في نهاية عام 2018 ، اقترب عالم الفيزياء الفلكية من معهد غرينتش للعلوم والتكنولوجيا نيكولاي جوركافي والحائز على جائزة نوبل جون ماثر من هذه الأجسام. أظهرت حساباتهم أن الثقوب السوداء ذات كتل من عشرات الكتل الشمسية يمكن أن تضيف هالة مجرية ، والتي ستبقى عمليًا غير مرئية للمراقبة ، وفي نفس الوقت ، تخلق كل الانحرافات المميزة في بنية وحركة المجرات. يبدو ، من أين يأتي العدد المطلوب من الثقوب السوداء الكبيرة على الأطراف البعيدة للمجرة؟ بعد كل شيء ، تولد الغالبية العظمى من النجوم الضخمة وتموت بالقرب من المركز. الإجابة التي قدمها غوركافي وماذر تكاد تكون غير معقولة: فهذه الثقوب السوداء "لم تأت" ، بمعنى ما كانت موجودة دائمًا ، منذ بداية الكون. هذه هي بقايا الدورة السابقة في سلسلة لانهائية من توسع وانكماش العالم.

يُظهر الخط الصلب السرعة المدارية الحقيقية للنجوم والغازات التي تدور حول مركز المجرة ؛ منقط - متوقع في غياب تأثير المادة المظلمة.

رفات ولادة جديدة

بشكل عام ، فإن Big Bounce ليس نموذجًا جديدًا في علم الكونيات ، وإن لم يكن مثبتًا ، موجود على قدم المساواة مع العديد من الفرضيات الأخرى لتطور الكون. من الممكن أنه في حياة الكون ، تم بالفعل استبدال فترات التوسع بالانكماش ، و "الانهيار الكبير" - وانفجار ارتداد جديد ، ولادة عالم الجيل القادم. ومع ذلك ، في النموذج الجديد ، يتم إجراء هذه الدورات بواسطة الثقوب السوداء ، حيث تعمل كمادة مظلمة وطاقة مظلمة - مادة غامضة أو قوة تسبب في التوسع المتسارع لكوننا.

من المفترض أنه بامتصاص المادة والاندماج مع بعضها البعض ، يمكن للثقوب السوداء أن تتراكم أكثر فأكثر من الكتلة الكلية للكون. يجب أن يؤدي هذا إلى تباطؤ في التوسع ثم إلى الانكماش. من ناحية أخرى ، عندما تندمج الثقوب السوداء ، يفقد جزء كبير من كتلتها مع طاقة موجات الجاذبية. لذلك ، فإن الثقب الناتج سيكون أخف من مجموع شروطه السابقة (على سبيل المثال ، ولدت أول موجة جاذبية سجلها ليجو عندما اندمج الثقوب السوداء المكونة من 36 و 29 كتلة شمسية مع تكوين ثقب بكتلة "فقط" "62 كتلة شمسية). لذلك يمكن للكون أيضًا أن يفقد كتلته ، ويتقلص ويمتلئ بالثقوب السوداء الأكبر حجمًا ، بما في ذلك أحد أكبر الثقوب - وهو الثقوب المركزية.

أخيرًا ، بعد سلسلة طويلة من اندماجات الثقوب السوداء ، عندما "يتسرب" جزء كبير من كتلة الكون على شكل موجات ثقالية ، سيبدأ في الانتشار في جميع الاتجاهات. سيبدو من الخارج وكأنه انفجار - الانفجار العظيم. على عكس صورة الارتداد الكبير الكلاسيكية ، لا يحدث التدمير الكامل للعالم السابق في مثل هذا النموذج ، ويرث الكون الجديد بعض الكائنات مباشرة من الوالد. بادئ ذي بدء ، هذه كلها نفس الثقوب السوداء ، وعلى استعداد للعب الأدوار الرئيسية فيها مرة أخرى - كل من المادة المظلمة والطاقة المظلمة.

الأم العظيمة

لذلك ، في هذه الصورة غير العادية ، تبين أن المادة المظلمة عبارة عن ثقوب سوداء كبيرة ، موروثة من الكون إلى الكون. لكن يجب ألا ننسى الثقب الأسود "المركزي" ، الذي يجب أن يتشكل في كل عالم عشية موته ويستمر في العالم التالي.أظهرت حسابات علماء الفيزياء الفلكية أن كتلته في فضاءنا الحالي يمكن أن تصل إلى 6 × 1051 كجم ، أي 1/20 من كتلة كل مادة الباريون ، وتزداد باستمرار. يمكن أن يؤدي نموه إلى توسع أسرع في الزمكان ويظهر نفسه كتوسع متسارع للكون.

بالطبع ، يجب أن يؤدي وجود مثل هذه الكتلة الحلقية إلى ظهور عدم تجانس ملحوظ في بنية الكون واسعة النطاق. يوجد بالفعل مرشح لمثل هذا التباين - المحور الفلكي للشر. هذه علامات ضعيفة نسبيًا ، لكنها مقلقة جدًا لتباين الكون - الهيكل الذي يتجلى فيه على المقاييس الأكبر ولا يتفق بأي حال من الأحوال مع الآراء الكلاسيكية حول الانفجار العظيم وكل ما حدث بعده.

على طول الطريق ، تحل الفرضية الغريبة أيضًا لغزًا فلكيًا آخر - مشكلة الظهور المبكر بشكل غير متوقع للثقوب السوداء فائقة الكتلة. توجد مثل هذه الأجسام في مراكز المجرات الكبيرة ، وبوسائل غير معروفة ، تمكنت من اكتساب كتلة بالملايين وحتى مليارات الكتل الشمسية بالفعل في أول 1-2 مليار سنة من وجود الكون. من غير الواضح أين يمكنهم ، من حيث المبدأ ، العثور على الكثير من الجوهر ، وحتى أكثر من ذلك عندما يكون لديهم الوقت لاستيعابها. لكن في إطار فكرة الثقوب السوداء "الموروثة" ، يتم حذف هذه الأسئلة ، لأن أجنةها كان من الممكن أن تصل إلينا من الكون الماضي.

إنه لأمر مؤسف أن فرضية غوركافي الباهظة لا تزال مجرد فرضية. لكي تصبح نظرية كاملة ، من الضروري أن تتوافق تنبؤاتها مع بيانات المراقبة - ومع ذلك لا يمكن تفسيره بالنماذج التقليدية. بالطبع ، ستتيح الأبحاث المستقبلية إمكانية مقارنة الحسابات الرائعة بالواقع ، ولكن من الواضح أن هذا لن يحدث في المستقبل القريب. لذلك ، في حين أن الأسئلة حول مكان إخفاء المادة المظلمة وماهية الطاقة المظلمة ، تظل بلا إجابة.