La "materia oscura" invisibile nello spazio sta costringendo le galassie ad evolversi

2024 Autore: Seth Attwood | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-16 16:08

Più a lungo il mistero della materia oscura rimane irrisolto, più appaiono ipotesi esotiche sulla sua natura, inclusa l'idea più recente dell'eredità dei buchi neri giganti dall'Universo precedente.

Per sapere che qualcosa esiste, non è necessario vederlo. Quindi, un tempo, secondo l'influenza gravitazionale sul movimento di Urano, furono scoperti Nettuno e Plutone, e oggi è in corso la ricerca di un ipotetico Pianeta X all'estrema periferia del sistema solare. Ma cosa succede se troviamo una tale influenza ovunque nell'Universo? Prendi le galassie, per esempio. Sembrerebbe che se il disco galattico ruota, la velocità delle stelle dovrebbe diminuire con l'aumentare dell'orbita. Questo, ad esempio, è il caso dei pianeti del sistema solare: la Terra si precipita intorno al Sole a 29,8 km / s e Plutone - a 4,7 km / s. Tuttavia, già negli anni '30, le osservazioni della nebulosa di Andromeda hanno mostrato che la velocità di rotazione delle sue stelle rimane quasi costante, non importa quanto si trovino alla periferia. Questa situazione è tipica delle galassie e, tra l'altro, ha portato all'emergere del concetto di materia oscura.

Carnevale di problemi

Si ritiene che non lo vediamo direttamente: questa sostanza misteriosa praticamente non interagisce con le particelle ordinarie, incluso non emette o assorbe fotoni, ma possiamo notarlo per l'effetto gravitazionale su altri corpi. Le osservazioni dei moti di stelle e nubi di gas consentono di compilare mappe dettagliate dell'alone di materia oscura che circonda il disco della Via Lattea, parlando dell'importante ruolo che svolge nell'evoluzione delle galassie, degli ammassi e dell'intero struttura dell'Universo. Tuttavia, iniziano ulteriori difficoltà. Cos'è questa misteriosa materia oscura? In cosa consiste e quali proprietà hanno le sue particelle?

Per molti anni, le WIMP sono state le principali candidate per questo ruolo: particelle ipotetiche che non sono in grado di partecipare a nessuna interazione diversa da quella gravitazionale. Stanno cercando di rilevarli sia indirettamente, tramite i prodotti di rare interazioni con la materia ordinaria, sia direttamente, utilizzando strumenti potenti, incluso il Large Hadron Collider. Ahimè, in entrambi i casi, non ci sono risultati.

"Lo scenario in cui LHC trova solo il bosone di Higgs e nient'altro è stato definito uno 'scenario da incubo' per un motivo", afferma Sabine Hossenfelder, professore all'Università di Francoforte. "Il fatto che non siano stati trovati segni di nuova fisica mi serve come un segnale inequivocabile: qui c'è qualcosa che non va". Anche altri scienziati hanno raccolto questo segnale. Dopo la pubblicazione dei risultati negativi delle ricerche di tracce di materia oscura con l'LHC e altri strumenti, sta chiaramente crescendo l'interesse per ipotesi alternative sulla sua natura. E alcune di queste soluzioni sembrano ancora più esotiche del carnevale brasiliano.

Miriadi di buchi

E se le WIMP non esistono? Se la materia oscura è materia che non possiamo vedere, ma vediamo gli effetti della sua gravità, allora forse sono solo buchi neri? In teoria, nelle prime fasi dell'evoluzione dell'Universo, potrebbero essersi formati in grandi quantità, non da stelle giganti morte, ma come risultato del collasso della materia superdensa e calda che riempiva lo spazio incandescente. Un problema: finora non è stato trovato un singolo buco nero primordiale e non si sa con certezza se siano mai esistiti. Tuttavia, ci sono abbastanza altri buchi neri nell'Universo adatti a questo ruolo.

Le osservazioni della sonda spaziale distante Voyager 1 non hanno rivelato alcuna traccia di radiazione di Hawking, che potrebbe indicare la comparsa di buchi neri primordiali di dimensioni microscopiche. Tuttavia, ciò non esclude l'esistenza di oggetti simili più grandi. Dal 2015, l'interferometro LIGO ha già registrato 11 onde gravitazionali, e 10 di esse sono state causate da fusioni di coppie di buchi neri con masse di decine di masse solari. Questo di per sé è estremamente inaspettato, perché tali oggetti si formano a seguito di esplosioni di supernova e la stella defunta perde gran parte della sua massa nel processo. Si scopre che i precursori dei buchi uniti erano stelle di dimensioni davvero ciclopiche, che non sarebbero dovute nascere nell'Universo per molto tempo. Un altro problema è creato dalla formazione di sistemi binari da parte loro. L'esplosione di una supernova è un evento così potente che qualsiasi oggetto vicino verrà scagliato lontano. In altre parole, LIGO ha rilevato onde gravitazionali da oggetti, la cui comparsa rimane un mistero.

Alla fine del 2018, tali oggetti sono stati avvicinati dall'astrofisico del Greenwich Institute of Science and Technology Nikolai Gorkavy e dal premio Nobel John Mather. I loro calcoli hanno mostrato che buchi neri con masse di decine di masse solari potrebbero benissimo sommare un alone galattico, che rimarrebbe praticamente invisibile all'osservazione e, allo stesso tempo, creerebbe tutte le anomalie caratteristiche nella struttura e nel movimento delle galassie. Sembrerebbe, da dove viene il numero richiesto di buchi neri così grandi nella lontana periferia della galassia? Dopotutto, la stragrande maggioranza delle stelle massicce nasce e muore più vicino al centro. La risposta che Gorkavy e Mather danno è quasi incredibile: questi buchi neri non sono "venuti", in un certo senso sono sempre esistiti, fin dall'inizio dell'Universo. Questi sono i resti del ciclo precedente in una sequenza infinita di espansioni e contrazioni del mondo.

La linea continua mostra la reale velocità orbitale delle stelle e del gas in orbita attorno al centro della galassia; punteggiato - previsto in assenza dell'influenza della materia oscura.

Reliquie della rinascita

In generale, il Big Bounce non è un nuovo modello in cosmologia, sebbene non provato, esistente alla pari di molte altre ipotesi sull'evoluzione del cosmo. È possibile che nella vita dell'universo, i periodi di espansione siano effettivamente sostituiti dalla contrazione, il "Grande Collasso" - e una nuova esplosione di rimbalzo, la nascita del mondo della prossima generazione. Tuttavia, nel nuovo modello, questi cicli sono condotti da buchi neri, che agiscono sia come materia oscura che come energia oscura, una sostanza o forza misteriosa che causa l'espansione accelerata del nostro Universo.

Si presume che assorbendo materia e fondendosi tra loro, i buchi neri possano accumulare sempre più della massa totale dell'Universo. Ciò dovrebbe comportare un rallentamento della sua espansione e quindi una contrazione. D'altra parte, quando i buchi neri si fondono, una parte significativa della loro massa viene persa con l'energia delle onde gravitazionali. Pertanto, il buco risultante sarà più leggero della somma dei suoi termini precedenti (ad esempio, la prima onda gravitazionale registrata da LIGO è nata quando buchi neri di 36 e 29 masse solari si fondono con la formazione di un buco con una massa di "solo "62 masse solari). Quindi l'Universo può anche perdere massa, contraendosi e riempiendosi di buchi neri sempre più grandi, incluso uno dei più grandi, quello centrale.

Infine, dopo una lunga serie di fusioni di buchi neri, quando una parte significativa della massa dell'Universo "fugge" sotto forma di onde gravitazionali, inizierà a disperdersi in tutte le direzioni. Dall'esterno sembrerà un'esplosione: il Big Bang. A differenza della classica immagine Big Rebound, la completa distruzione del mondo precedente non si verifica in un tale modello e il nuovo Universo eredita direttamente alcuni oggetti dal genitore. Prima di tutto, questi sono tutti gli stessi buchi neri, pronti a svolgere nuovamente entrambi i ruoli principali in esso: sia la materia oscura che l'energia oscura.

Grande antenata

Quindi, in questa immagine insolita, la materia oscura risulta essere grandi buchi neri, che sono ereditati dall'Universo all'Universo. Ma non dobbiamo dimenticare il buco nero "centrale", che dovrebbe formarsi in ciascuno di questi mondi alla vigilia della sua morte e persistere nel prossimo. I calcoli degli astrofisici hanno dimostrato che la sua massa nel nostro spazio odierno può raggiungere un incredibile 6 x 1051 kg, 1/20 della massa di tutta la materia barionica, e aumentare continuamente. La sua crescita può portare ad un'espansione sempre più rapida dello spazio-tempo e manifestarsi come un'espansione accelerata dell'Universo.

Naturalmente, la presenza di una massa così ciclopica dovrebbe portare alla comparsa di notevoli disomogeneità nella struttura su larga scala dell'Universo. Esiste già un candidato per tale eterogeneità: l'asse astronomico del male. Questi sono segni relativamente deboli, ma molto allarmanti dell'anisotropia dell'Universo - la struttura che si manifesta in esso su scale più grandi e non è in alcun modo d'accordo con le opinioni classiche sul Big Bang e su tutto ciò che è successo dopo.

Lungo la strada, l'ipotesi esotica risolve anche un altro enigma astronomico: il problema della comparsa inaspettatamente precoce dei buchi neri supermassicci. Tali oggetti si trovano nei centri di grandi galassie e, con mezzi sconosciuti, sono riusciti a guadagnare massa in milioni e persino miliardi di masse solari già nei primi 1-2 miliardi di anni dell'esistenza dell'Universo. Non è chiaro dove potrebbero, in linea di principio, trovare tanta sostanza, e ancor di più quando potrebbero avere il tempo di assorbirla. Ma nell'ambito dell'idea con i buchi neri "ereditati", queste domande vengono rimosse, perché i loro embrioni potrebbero essere arrivati a noi dall'Universo passato.

È un peccato che l'ipotesi stravagante di Gorkavy sia ancora solo un'ipotesi. Perché diventi una teoria a tutti gli effetti, è necessario che le sue previsioni coincidano con i dati osservativi - e con quelli che non possono essere spiegati dai modelli tradizionali. Certamente, le ricerche future consentiranno di confrontare i calcoli fantastici con la realtà, ma questo ovviamente non accadrà nel prossimo futuro. Pertanto, mentre le domande su dove sia nascosta la materia oscura e cosa sia l'energia oscura, rimangono senza risposta.