La "matèria fosca" invisible a l'espai està forçant les galàxies a evolucionar

2024 Autora: Seth Attwood | [email protected]. Última modificació: 2023-12-16 16:00

Com més temps roman el misteri de la matèria fosca sense resoldre, més hipòtesis exòtiques apareixen sobre la seva naturalesa, inclosa la idea més nova de l'herència dels forats negres gegants de l'Univers anterior.

Per saber que alguna cosa existeix, no cal veure-la. Així que una vegada, segons la influència gravitatòria en el moviment d'Urà, es van descobrir Neptú i Plutó, i avui s'està buscant un hipotètic Planeta X als afores del sistema solar. Però, i si trobem aquesta influència a tot arreu de l'Univers? Prenguem les galàxies, per exemple. Sembla que si el disc galàctic gira, la velocitat de les estrelles hauria de disminuir amb l'augment de l'òrbita. Aquest és, per exemple, el cas dels planetes del sistema solar: la Terra gira al voltant del Sol a 29,8 km/s, i Plutó - a 4,7 km/s. Tanmateix, ja a la dècada de 1930, les observacions de la nebulosa d'Andròmeda van demostrar que la velocitat de rotació de les seves estrelles es manté gairebé constant, per molt lluny que es trobin a la perifèria. Aquesta situació és típica de les galàxies i, entre altres motius, va provocar l'aparició del concepte de matèria fosca.

Carnaval dels problemes

Es creu que no ho veiem directament: aquesta substància misteriosa pràcticament no interacciona amb partícules ordinàries, inclòs no emet ni absorbeix fotons, però ho podem notar per l'efecte gravitatori sobre altres cossos. Les observacions dels moviments d'estrelles i núvols de gas permeten elaborar mapes detallats de l'aureola de matèria fosca que envolta el disc de la Via Làctia, parlant de l'important paper que juga en l'evolució de les galàxies, els cúmuls i tota la gran escala. estructura de l'Univers. Tanmateix, comencen més dificultats. Què és aquesta misteriosa matèria fosca? En què consisteix i quines propietats tenen les seves partícules?

Durant molts anys, els WIMP han estat els principals candidats per a aquest paper: partícules hipotètiques que no poden participar en cap interacció que no sigui gravitatòria. Estan intentant detectar-los tant indirectament, pels productes d'interaccions rares amb la matèria ordinària, com directament, utilitzant instruments potents, inclòs el Gran Col·lisionador d'Hadrons. Per desgràcia, en ambdós casos, no hi ha resultats.

"L'escenari en què l'LHC només troba el bosó de Higgs i res més s'ha anomenat 'escenari de malson' per una raó", diu Sabine Hossenfelder, professora de la Universitat de Frankfurt. "El fet que no s'hagin trobat indicis de nova física em serveix com a senyal inequívoc: aquí hi ha alguna cosa malament". Altres científics també van captar aquest senyal. Després de la publicació dels resultats negatius de les cerques de rastres de matèria fosca amb l'LHC i altres instruments, l'interès per hipòtesis alternatives sobre la seva naturalesa està creixent clarament. I algunes d'aquestes solucions semblen encara més exòtiques que el carnaval brasiler.

Miríades de forats

Què passa si els WIMP no existeixen? Si la matèria fosca és matèria que no podem veure, però veiem els efectes de la seva gravetat, potser només són forats negres? Teòricament, en les primeres etapes de l'evolució de l'Univers, es podrien haver format en grans quantitats, no a partir d'estrelles gegants mortes, sinó com a resultat del col·lapse de la matèria superdensa i calenta que omplia l'espai incandescent. Un problema: fins ara no s'ha trobat un sol forat negre primordial, i no se sap amb certesa si van existir mai. Tanmateix, hi ha prou altres forats negres a l'Univers que són adequats per a aquest paper.

Les observacions de la sonda espacial llunyana Voyager 1 no van revelar cap rastre de radiació Hawking, que podria indicar l'aparició de forats negres primordials de mida microscòpica. Tanmateix, això no exclou l'existència d'objectes similars més grans. Des del 2015, l'interferòmetre LIGO ja ha registrat 11 ones gravitatòries, i 10 d'elles van ser causades per fusions de parells de forats negres amb masses de desenes de masses solars. Això en si mateix és extremadament inesperat, perquè aquests objectes es formen com a resultat d'explosions de supernoves i l'estrella morta perd la major part de la seva massa en el procés. Resulta que els precursors dels forats fusionats eren estrelles de mides realment ciclòpies, que no haurien d'haver nascut a l'Univers durant molt de temps. Un altre problema el crea la formació de sistemes binaris per ells. Una explosió de supernova és un esdeveniment tan poderós que qualsevol objecte proper serà llençat lluny. En altres paraules, LIGO ha detectat ones gravitatòries d'objectes, l'aparició dels quals segueix sent un misteri.

A finals de 2018, l'astrofísic de l'Institut de Ciència i Tecnologia de Greenwich Nikolai Gorkavy i el premi Nobel John Mather es van apropar a aquests objectes. Els seus càlculs van demostrar que els forats negres amb masses de desenes de masses solars podrien sumar un halo galàctic, que romandria pràcticament invisible per a l'observació i, al mateix temps, crearia totes les anomalies característiques en l'estructura i el moviment de les galàxies. Sembla, d'on prové el nombre necessari de forats negres tan grans a la perifèria llunyana de la galàxia? Després de tot, la gran majoria de les estrelles massives neixen i moren més a prop del centre. La resposta que donen Gorkavy i Mather és gairebé increïble: aquests forats negres no van "arribar", en cert sentit, sempre han existit, des del principi de l'Univers. Aquestes són les restes del cicle anterior en una seqüència interminable d'expansions i contraccions del món.

La línia sòlida mostra la velocitat orbital real de les estrelles i el gas que orbiten al centre de la galàxia; puntejat: s'espera en absència de la influència de la matèria fosca.

Relíquies del renaixement

En general, el Big Bounce no és un model nou en cosmologia, encara que no s'ha demostrat, existent a la par de moltes altres hipòtesis de l'evolució del cosmos. És possible que en la vida de l'univers, els períodes d'expansió siguin substituïts per la contracció, el "Gran Col·lapse" i una nova explosió de rebot, el naixement del món de la propera generació. No obstant això, en el nou model, aquests cicles són conduïts per forats negres, actuant com a matèria fosca i energia fosca, una substància o força misteriosa que provoca l'expansió accelerada del nostre Univers.

Se suposa que absorbint matèria i fusionant-se entre ells, els forats negres poden acumular cada cop més la massa total de l'Univers. Això hauria de conduir a una desacceleració de la seva expansió i després a la contracció. D'altra banda, quan els forats negres es fusionen, una part important de la seva massa es perd amb l'energia de les ones gravitatòries. Per tant, el forat resultant serà més lleuger que la suma dels seus termes anteriors (per exemple, la primera ona gravitatòria registrada per LIGO va néixer quan els forats negres de 36 i 29 masses solars es fusionen amb la formació d'un forat amb una massa de "només". "62 masses solars). Així, l'Univers també pot perdre massa, contraure's i omplir-se de forats negres cada cop més grans, inclòs un dels més grans: el central.

Finalment, després d'una llarga sèrie de fusions de forats negres, quan una part important de la massa de l'Univers "fuga" en forma d'ones gravitatòries, començarà a dispersar-se en totes direccions. Des de fora semblarà una explosió: el Big Bang. A diferència de la imatge clàssica de Big Rebound, la destrucció completa del món anterior no es produeix en aquest model, i el nou Univers hereta directament alguns objectes del pare. En primer lloc, tots són els mateixos forats negres, preparats per tornar-hi a jugar els dos papers principals: tant matèria fosca com energia fosca.

Gran avantmare

Per tant, en aquesta imatge inusual, la matèria fosca resulta ser grans forats negres, que s'hereten de l'Univers a l'Univers. Però no ens hem d'oblidar del forat negre "central", que s'hauria de formar en cada món la vigília de la seva mort i persistir en el següent. Els càlculs dels astrofísics han demostrat que la seva massa al nostre espai actual pot assolir uns increïbles 6 x 1051 kg, 1/20 de la massa de tota la matèria bariònica, i augmentar contínuament. El seu creixement pot conduir a una expansió cada cop més ràpida de l'espai-temps i manifestar-se com una expansió accelerada de l'Univers.

Per descomptat, la presència d'aquesta massa ciclòpia hauria de provocar l'aparició d'inhomogeneïtats notables a l'estructura a gran escala de l'Univers. Ja hi ha un candidat per a aquesta heterogeneïtat: l'eix astronòmic del mal. Aquests són signes relativament febles, però molt alarmants de l'anisotropia de l'Univers: l'estructura que s'hi manifesta a les escales més grans i no està d'acord de cap manera amb les opinions clàssiques sobre el Big Bang i tot el que va passar després d'ell.

Al llarg del camí, la hipòtesi exòtica també resol un altre enigma astronòmic: el problema de l'aparició inesperadament primerenca dels forats negres supermassius. Aquests objectes es troben al centre de les grans galàxies i, per mitjans desconeguts, van aconseguir guanyar massa en milions i fins i tot milers de milions de masses solars ja en els primers 1-2 mil milions d'anys de l'existència de l'Univers. No està clar on podrien, en principi, trobar tanta substància, i encara més quan podrien tenir temps per absorbir-la. Però en el marc de la idea dels forats negres "heretats", s'eliminen aquestes preguntes, perquè els seus embrions ens podrien haver arribat des de l'Univers passat.

És una llàstima que l'extravagant hipòtesi de Gorkavy encara sigui només una hipòtesi. Perquè es converteixi en una teoria en tota regla, és necessari que les seves prediccions coincideixin amb dades observacionals, i amb tals que no es poden explicar amb els models tradicionals. Per descomptat, les futures investigacions permetran comparar els càlculs fantàstics amb la realitat, però òbviament això no passarà en un futur proper. Per tant, encara que les preguntes sobre on s'amaga la matèria fosca i quina és l'energia fosca, romanen sense resposta.