"חומר אפל" בלתי נראה בחלל מאלץ גלקסיות להתפתח

2024 מְחַבֵּר: Seth Attwood | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-16 16:05

ככל שתעלומת החומר האפל נשארת לא פתורה זמן רב יותר, כך מופיעות השערות אקזוטיות יותר לגבי טבעו, כולל הרעיון החדש ביותר של ירושה של חורים שחורים ענקיים מהיקום הקודם.

כדי לדעת שמשהו קיים, אין צורך לראות אותו. אז פעם, על פי ההשפעה הכבידתית על תנועתו של אורנוס, התגלו נפטון ופלוטו, והיום מתנהל חיפוש אחר כוכב הלכת X היפותטי בפאתי הרחוקים של מערכת השמש. אבל מה אם נמצא השפעה כזו בכל מקום ביקום? קח גלקסיות, למשל. נראה שאם הדיסק הגלקטי מסתובב, אזי מהירות הכוכבים צריכה לרדת עם מסלול הגדלת. זה, למשל, המקרה עם כוכבי הלכת של מערכת השמש: כדור הארץ שועט סביב השמש במהירות של 29.8 ק"מ לשנייה ופלוטו - במהירות של 4.7 ק"מ לשנייה. עם זאת, כבר בשנות ה-30, תצפיות על ערפילית אנדרומדה הראו שמהירות הסיבוב של הכוכבים שלה נשארת כמעט קבועה, לא משנה עד כמה הם נמצאים בפריפריה. מצב זה אופייני לגלקסיות, ובין היתר הוא הוביל להופעתו של המושג חומר אפל.

קרנבל של בעיות

מאמינים שאנו לא רואים אותו ישירות: החומר המסתורי הזה כמעט אינו יוצר אינטראקציה עם חלקיקים רגילים, כולל הוא אינו פולט או סופג פוטונים, אך אנו יכולים להבחין בו על ידי השפעת הכבידה על גופים אחרים. תצפיות בתנועות של כוכבים וענני גז מאפשרות לערוך מפות מפורטות של הילת החומר האפל המקיפה את הדיסק של שביל החלב, תוך דיבור על התפקיד החשוב שהיא ממלאת בהתפתחות הגלקסיות, הצבירים וכל רחבי ההיקף. מבנה היקום. עם זאת, מתחילים קשיים נוספים. מה זה החומר האפל המסתורי הזה? ממה הוא מורכב ואיזה תכונות יש לחלקיקים שלו?

במשך שנים רבות, WIMPs היו המועמדים העיקריים לתפקיד זה – חלקיקים היפותטיים שאינם מסוגלים להשתתף באינטראקציות כלשהן מלבד כבידה. הם מנסים לזהות אותם הן בעקיפין, על ידי תוצרים של אינטראקציות נדירות עם חומר רגיל, והן באופן ישיר, באמצעות מכשירים רבי עוצמה, כולל מאיץ ההדרונים הגדול. אבוי, בשני המקרים, אין תוצאות.

"התרחיש שבו ה-LHC מוצא רק את בוזון היגס ושום דבר אחר לא נקרא 'תרחיש סיוט' מסיבה כלשהי", אומרת סבין הוזנפלדר, פרופסור באוניברסיטת פרנקפורט. "העובדה שלא נמצאו סימנים לפיזיקה חדשה משמשת לי אות חד משמעי: משהו כאן לא בסדר". גם מדענים אחרים קלטו את האות הזה. לאחר פרסום תוצאות שליליות של חיפושים אחר עקבות של חומר אפל באמצעות ה-LHC ומכשירים אחרים, העניין בהשערות חלופיות לגבי טיבו גובר בבירור. וכמה מהפתרונות האלה נראים אפילו יותר אקזוטיים מהקרנבל הברזילאי.

אינספור חורים

מה אם WIMPs לא קיימים? אם חומר אפל הוא חומר שאיננו יכולים לראות, אך אנו רואים את ההשפעות של כוח המשיכה שלו, אז אולי הם רק חורים שחורים? תיאורטית, בשלבים המוקדמים ביותר של התפתחות היקום, הם יכלו להיווצר במספרים עצומים - לא מכוכבי ענק מתים, אלא כתוצאה מהתמוטטות החומר העל-צפוף והחם שמילא את חלל הליבון. בעיה אחת: עד כה לא נמצא חור שחור קדמוני אחד, ולא ידוע בוודאות אם הם היו קיימים בכלל. עם זאת, יש מספיק חורים שחורים אחרים ביקום שמתאימים לתפקיד זה.

תצפיות על גשושית החלל הרחוקה וויאג'ר 1 לא גילו עקבות כלשהם של קרינת הוקינג, שיכולה להעיד על הופעת חורים שחורים ראשוניים בגודל מיקרוסקופי. עם זאת, זה לא שולל את קיומם של אובייקטים דומים גדולים יותר.מאז 2015, אינטרפרומטר LIGO כבר רשם 11 גלי כבידה, ו-10 מהם נגרמו ממיזוג של זוגות של חורים שחורים עם מסות של עשרות מסות שמש. זה כשלעצמו בלתי צפוי ביותר, מכיוון שעצמים כאלה נוצרים כתוצאה מפיצוצי סופרנובה, והכוכב המת מאבד את רוב המסה שלו בתהליך. מסתבר שמבשרי החורים הממוזגים היו כוכבים בגדלים ציקלופיים ממש, שלא היו צריכים להיוולד ביקום במשך זמן רב. בעיה נוספת נוצרת מהיווצרותן של מערכות בינאריות על ידם. פיצוץ סופרנובה הוא אירוע כל כך חזק שכל חפץ קרוב ייזרק רחוק. במילים אחרות, LIGO זיהה גלי כבידה מעצמים, שהמראה שלהם נותר בגדר תעלומה.

בסוף 2018, ניגשו לאובייקטים כאלה האסטרופיזיקאי של מכון גריניץ' למדע וטכנולוגיה ניקולאי גורקאווי וחתן פרס נובל ג'ון מאתר. החישובים שלהם הראו שחורים שחורים בעלי מסות של עשרות מסות שמש יכולים בהחלט להוסיף הילה גלקטית, שתישאר כמעט בלתי נראית לתצפית, ובו בזמן ליצור את כל החריגות האופייניות במבנה ובתנועה של הגלקסיות. נראה, מהיכן בפריפריה הרחוקה של הגלקסיה מגיע המספר הנדרש של חורים שחורים גדולים כל כך? אחרי הכל, הרוב המכריע של כוכבים מסיביים נולדים ומתים קרוב יותר למרכז. התשובה שגורקאווי ומת'ר נותנים היא כמעט בלתי אמינה: החורים השחורים הללו לא "הגיעו", במובן מסוים הם היו קיימים מאז ומתמיד, מתחילת היקום. אלו הם השרידים של המחזור הקודם ברצף אינסופי של התרחבות והתכווצויות של העולם.

הקו המוצק מציג את מהירות המסלול האמיתית של כוכבים וגז המקיפים את מרכז הגלקסיה; מנוקד - צפוי בהיעדר השפעת החומר האפל.

שרידי לידה מחדש

באופן כללי, ה-Big Bounce אינו מודל חדש בקוסמולוגיה, אם כי לא מוכח, הקיים בקנה אחד עם השערות רבות אחרות של התפתחות הקוסמוס. ייתכן שבחיי היקום, תקופות ההתפשטות אכן מתחלפות בהתכווצות, "ההתמוטטות הגדולה" - ובהקפצה-פיצוץ חדש, הולדת עולם הדור הבא. עם זאת, במודל החדש, מחזורים אלו מתנהלים על ידי חורים שחורים, הפועלים כחומר אפל ואנרגיה אפלה - חומר או כוח מסתורי הגורם להתפשטות המואצת של היקום שלנו.

ההנחה היא שעל ידי קליטת חומר והתמזגות זה עם זה, חורים שחורים יכולים לצבור יותר ויותר מהמסה הכוללת של היקום. זה אמור להוביל להאטה בהתרחבותו ולאחר מכן להתכווצות. מצד שני, כאשר חורים שחורים מתמזגים, חלק ניכר מהמסה שלהם אובד עם האנרגיה של גלי כבידה. לכן, החור שיתקבל יהיה קל יותר מסך המונחים הקודמים שלו (לדוגמה, גל הכבידה הראשון שתועד על ידי LIGO נולד כאשר חורים שחורים של 36 ו-29 מסות שמש מתמזגים עם היווצרות חור עם מסה של "רק "62 מסות שמש). כך שהיקום יכול גם לאבד מסה, להתכווץ ולהתמלא בחורים שחורים גדולים מתמיד, כולל אחד הגדולים - המרכזי.

לבסוף, לאחר סדרה ארוכה של מיזוגים של חורים שחורים, כאשר חלק ניכר מהמסה של היקום "דולף" בצורה של גלי כבידה, הוא יתחיל להתפזר לכל הכיוונים. מבחוץ זה ייראה כמו פיצוץ - המפץ הגדול. בניגוד לתמונת ה-Big Rebound הקלאסית, הרס מוחלט של העולם הקודם לא מתרחש בדגם כזה, והיקום החדש יורש ישירות כמה אובייקטים מההורה. קודם כל, כל אלה הם אותם חורים שחורים, מוכנים לשחק בו שוב את שני התפקידים הראשיים - גם חומר אפל וגם אנרגיה אפלה.

אמא קדמה נהדרת

אז, בתמונה יוצאת דופן זו, החומר האפל מתברר כחורים שחורים גדולים, שעוברים בירושה מהיקום ליקום. אבל אסור לשכוח את החור השחור ה"מרכזי", שאמור להיווצר בכל עולם כזה ערב מותו ולהתמיד בעולם הבא.חישובים של אסטרופיזיקאים הראו שהמסה שלו במרחב של היום שלנו יכולה להגיע ל-6 x 1051 ק"ג מדהימים, 1/20 מהמסה של כל החומר הבריוני, ולעלות ברציפות. צמיחתו יכולה להוביל להתרחבות מהירה יותר ויותר של המרחב-זמן ולהתבטא כהתרחבות מואצת של היקום.

כמובן, הנוכחות של מסה ציקלופית כזו צריכה להוביל להופעת אי-הומוגניות ניכרת במבנה בקנה מידה גדול של היקום. יש כבר מועמד להטרוגניות כזו - ציר הרשע האסטרונומי. מדובר בסימנים חלשים יחסית, אך מדאיגים מאוד לאנזיטרופיה של היקום – המבנה שמתבטא בו בקנה מידה הגדול ביותר ואינו מסכים בשום צורה עם הדעות הקלאסיות על המפץ הגדול וכל מה שקרה אחריו.

על הדרך, ההשערה האקזוטית פותרת גם חידה אסטרונומית נוספת - בעיית ההופעה המוקדמת במפתיע של חורים שחורים סופר-מאסיביים. עצמים כאלה ממוקמים במרכזי גלקסיות גדולות ובאמצעים לא ידועים הצליחו לצבור מסה במיליוני ואף מיליארדי מסות שמש כבר ב-1-2 מיליארד השנים הראשונות לקיומו של היקום. לא ברור היכן הם יכלו, באופן עקרוני, למצוא כל כך הרבה חומר, ועוד יותר מתי היה להם זמן לספוג אותו. אבל במסגרת הרעיון עם החורים השחורים ה"תורשתיים", השאלות הללו מוסרות, כי העוברים שלהם היו יכולים להגיע אלינו מהיקום הקודם.

חבל שההשערה המוגזמת של גורקאווי היא עדיין רק השערה. כדי שהיא תהפוך לתיאוריה מן המניין, יש צורך שהתחזיות שלה יהיו בקנה אחד עם נתוני תצפית - ועם כאלה שלא ניתן להסביר על ידי מודלים מסורתיים. כמובן שמחקר עתידי יאפשר להשוות את החישובים הפנטסטיים למציאות, אבל זה כמובן לא יקרה בזמן הקרוב. לכן, בעוד השאלות לגבי היכן מסתתר החומר האפל ומהי אנרגיה אפלה, נותרות ללא מענה.