Onzichtbare "donkere materie" in de ruimte dwingt sterrenstelsels te evolueren

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

Hoe langer het mysterie van donkere materie onopgelost blijft, hoe meer exotische hypothesen over de aard ervan verschijnen, waaronder het nieuwste idee van de overerving van gigantische zwarte gaten uit het vorige heelal.

Om te weten dat iets bestaat, is het niet nodig om het te zien. Dus ooit, volgens de zwaartekrachtsinvloed op de beweging van Uranus, werden Neptunus en Pluto ontdekt, en vandaag is er een zoektocht gaande naar een hypothetische planeet X aan de uiterste rand van het zonnestelsel. Maar wat als we zo'n invloed overal in het heelal aantreffen? Neem bijvoorbeeld sterrenstelsels. Het lijkt erop dat als de galactische schijf draait, de snelheid van de sterren zou moeten afnemen met een toenemende baan. Dit is bijvoorbeeld het geval met de planeten van het zonnestelsel: de aarde snelt met 29,8 km / s om de zon en Pluto - met 4,7 km / s. Al in de jaren dertig toonden waarnemingen van de Andromeda-nevel echter aan dat de rotatiesnelheid van zijn sterren bijna constant blijft, hoe ver ze zich ook in de periferie bevinden. Deze situatie is typerend voor sterrenstelsels en heeft onder andere geleid tot de opkomst van het concept donkere materie.

Carnaval van problemen

Er wordt aangenomen dat we het niet direct zien: deze mysterieuze substantie heeft praktisch geen interactie met gewone deeltjes, inclusief het uitzenden of absorberen van fotonen, maar we kunnen het opmerken door het zwaartekrachteffect op andere lichamen. Observaties van de bewegingen van sterren en gaswolken maken het mogelijk om gedetailleerde kaarten samen te stellen van de halo van donkere materie rond de schijf van de Melkweg, waarbij wordt gesproken over de belangrijke rol die het speelt in de evolutie van sterrenstelsels, clusters en de hele grootschalige structuur van het heelal. Er beginnen echter nog meer moeilijkheden. Wat is deze mysterieuze donkere materie? Waar bestaat het uit en welke eigenschappen hebben de deeltjes ervan?

Jarenlang waren WIMP's de belangrijkste kandidaten voor deze rol - hypothetische deeltjes die niet in staat zijn deel te nemen aan andere interacties dan zwaartekracht. Ze proberen ze zowel indirect te detecteren, door de producten van zeldzame interacties met gewone materie, als direct, met behulp van krachtige instrumenten, waaronder de Large Hadron Collider. Helaas zijn er in beide gevallen geen resultaten.

"Het scenario waarin de LHC alleen het Higgs-deeltje en niets anders vindt, wordt niet voor niets een 'nachtmerriescenario' genoemd", zegt Sabine Hossenfelder, een professor aan de Universiteit van Frankfurt. "Het feit dat er geen tekenen van nieuwe fysica zijn gevonden, dient voor mij als een ondubbelzinnig signaal: hier is iets mis." Ook andere wetenschappers pikten dit signaal op. Na de publicatie van negatieve resultaten van het zoeken naar sporen van donkere materie met behulp van de LHC en andere instrumenten, neemt de belangstelling voor alternatieve hypothesen over de aard ervan duidelijk toe. En sommige van deze oplossingen zien er nog exotischer uit dan het Braziliaanse carnaval.

Ontelbare gaten

Wat als WIMP's niet bestaan? Als donkere materie materie is die we niet kunnen zien, maar we zien wel de effecten van de zwaartekracht, dan zijn het misschien gewoon zwarte gaten? Theoretisch zouden ze in de vroegste stadia van de evolutie van het heelal in enorme aantallen kunnen zijn gevormd - niet uit dode reuzensterren, maar als gevolg van de ineenstorting van superdichte en hete materie die de gloeiende ruimte vulde. Eén probleem: tot nu toe is er geen enkel oerzwart gat gevonden, en het is ook niet zeker of ze ooit hebben bestaan. Er zijn echter genoeg andere zwarte gaten in het heelal die geschikt zijn voor deze rol.

Waarnemingen van de verre ruimtesonde Voyager 1 brachten geen sporen van Hawking-straling aan het licht, wat zou kunnen duiden op het verschijnen van oerzwarte gaten van microscopische grootte. Dit sluit echter het bestaan van grotere vergelijkbare objecten niet uit. Sinds 2015 heeft de LIGO-interferometer al 11 zwaartekrachtsgolven geregistreerd, waarvan 10 veroorzaakt door samensmeltingen van paren zwarte gaten met massa's van tientallen zonsmassa's. Dit is op zich al buitengewoon onverwacht, omdat dergelijke objecten worden gevormd als gevolg van supernova-explosies, en de overleden ster verliest daarbij het grootste deel van zijn massa. Het blijkt dat de voorlopers van de samengevoegde gaten sterren waren van echt cyclopische afmetingen, die lange tijd niet in het heelal hadden mogen worden geboren. Een ander probleem wordt gecreëerd door de vorming van binaire systemen door hen. Een supernova-explosie is een gebeurtenis die zo krachtig is dat elk object dat dichtbij is, ver weg wordt gegooid. Met andere woorden, LIGO heeft zwaartekrachtgolven gedetecteerd van objecten, waarvan het uiterlijk een mysterie blijft.

Eind 2018 werden dergelijke objecten benaderd door de astrofysicus van het Greenwich Institute of Science and Technology Nikolai Gorkavy en de Nobelprijswinnaar John Mather. Hun berekeningen toonden aan dat zwarte gaten met massa's van tientallen zonsmassa's heel goed een galactische halo zouden kunnen vormen, die praktisch onzichtbaar zou blijven voor observatie en tegelijkertijd alle karakteristieke anomalieën zou creëren in de structuur en beweging van sterrenstelsels. Het lijkt erop, waar in de verre periferie van de melkweg het vereiste aantal van zulke grote zwarte gaten vandaan komt? De overgrote meerderheid van zware sterren wordt immers dichter bij het centrum geboren en sterft. Het antwoord dat Gorkavy en Mather geven is bijna ongelooflijk: deze zwarte gaten zijn niet "gekomen", in zekere zin hebben ze altijd bestaan, vanaf het allereerste begin van het heelal. Dit zijn de overblijfselen van de vorige cyclus in een eindeloze reeks uitbreidingen en samentrekkingen van de wereld.

De ononderbroken lijn toont de werkelijke baansnelheid van sterren en gas in een baan om het centrum van de melkweg; gestippeld - verwacht bij afwezigheid van de invloed van donkere materie.

Overblijfselen van wedergeboorte

Over het algemeen is de Big Bounce geen nieuw model in de kosmologie, hoewel onbewezen, dat op één lijn staat met vele andere hypothesen over de evolutie van de kosmos. Het is mogelijk dat in het leven van het universum de perioden van expansie inderdaad worden vervangen door samentrekking, de "Big Collapse" - en een nieuwe bounce-explosie, de geboorte van de wereld van de volgende generatie. In het nieuwe model worden deze cycli echter geleid door zwarte gaten, die zowel als donkere materie als als donkere energie fungeren - een mysterieuze substantie of kracht die de versnelde uitdijing van ons heelal veroorzaakt.

Er wordt aangenomen dat zwarte gaten door materie te absorberen en met elkaar te versmelten, steeds meer van de totale massa van het heelal kunnen ophopen. Dit zou moeten leiden tot een vertraging van de expansie en vervolgens tot krimp. Aan de andere kant, wanneer zwarte gaten samensmelten, gaat een aanzienlijk deel van hun massa verloren met de energie van zwaartekrachtsgolven. Daarom zal het resulterende gat lichter zijn dan de som van zijn vroegere termen (de eerste zwaartekrachtsgolf die door LIGO werd geregistreerd, werd bijvoorbeeld geboren toen zwarte gaten van 36 en 29 zonsmassa's samensmelten met de vorming van een gat met een massa van "slechts "62 zonsmassa's). Het heelal kan dus ook massa verliezen, samentrekken en vullen met steeds grotere zwarte gaten, waaronder een van de grootste - de centrale.

Eindelijk, na een lange reeks samensmeltingen van zwarte gaten, wanneer een aanzienlijk deel van de massa van het heelal "lekt" in de vorm van zwaartekrachtsgolven, zal het zich in alle richtingen beginnen te verspreiden. Van de buitenkant ziet het eruit als een explosie - de oerknal. In tegenstelling tot het klassieke Big Rebound-beeld, vindt de volledige vernietiging van de vorige wereld niet plaats in een dergelijk model, en het nieuwe universum erft rechtstreeks enkele objecten van de ouder. Allereerst zijn dit allemaal dezelfde zwarte gaten, klaar om er opnieuw beide hoofdrollen in te spelen - zowel donkere materie als donkere energie.

geweldige voormoeder

In deze ongewone foto blijkt donkere materie dus grote zwarte gaten te zijn, die van het heelal naar het heelal worden geërfd. Maar we mogen het 'centrale' zwarte gat niet vergeten, dat zich in elke van deze werelden aan de vooravond van zijn dood zou moeten vormen en in de volgende moet blijven bestaan. Berekeningen door astrofysici hebben aangetoond dat de massa in onze huidige ruimte een ongelooflijke 6 x 1051 kg kan bereiken, 1/20 van de massa van alle baryonische materie, en voortdurend toeneemt. Zijn groei kan leiden tot een steeds snellere uitdijing van ruimte-tijd en zich manifesteren als een versnellende uitdijing van het heelal.

Natuurlijk zou de aanwezigheid van zo'n cyclopische massa moeten leiden tot het verschijnen van merkbare inhomogeniteiten in de grootschalige structuur van het heelal. Er is al een kandidaat voor zo'n heterogeniteit - de astronomische as van het kwaad. Dit zijn relatief zwakke, maar zeer alarmerende tekenen van de anisotropie van het heelal - de structuur die zich daarin op de grootste schalen manifesteert en op geen enkele manier overeenkomt met de klassieke opvattingen over de oerknal en alles wat daarna gebeurde.

Onderweg lost de exotische hypothese ook een ander astronomisch raadsel op: het probleem van het onverwacht vroege verschijnen van superzware zwarte gaten. Dergelijke objecten bevinden zich in de centra van grote sterrenstelsels en zijn er met onbekende middelen in geslaagd om al in de eerste 1-2 miljard jaar van het bestaan van het heelal massa in miljoenen en zelfs miljarden zonnemassa's te krijgen. Het is onduidelijk waar ze in principe zoveel stof zouden kunnen vinden, en nog meer wanneer ze tijd zouden kunnen hebben om het op te nemen. Maar binnen het kader van het idee met "geërfde" zwarte gaten, worden deze vragen verwijderd, omdat hun embryo's uit het vorige heelal naar ons zouden kunnen zijn gekomen.

Het is jammer dat Gorkavy's extravagante hypothese slechts een hypothese is. Om een volwaardige theorie te worden, is het noodzakelijk dat de voorspellingen ervan samenvallen met waarnemingsgegevens - en met zodanige gegevens die niet door traditionele modellen kunnen worden verklaard. Natuurlijk zal toekomstig onderzoek het mogelijk maken om de fantastische berekeningen te vergelijken met de werkelijkheid, maar dat zal natuurlijk niet in de nabije toekomst gebeuren. Daarom blijven de vragen over waar donkere materie verborgen zit en wat donkere energie is, onbeantwoord.