Nauji tyrimai rodo, kad reliktinės juodosios skylės, susidariusios prieš Didįjį sprogimą, vis dar gali formuoti galaktikas. Šios juodosios skylės galėtų paaiškinti tamsiąją materiją – vieną didžiausių neišspręstų kosmologijos klausimų.
„Kosminio tinklo“, didžiulio gijų tinklo, besidriekiančio visoje Visatoje, modelis. Tamsiosios materijos tankį kairėje vaizduoja mėlynai violetinės spalvos. Dujų tankį dešinėje vaizduoja oranžinės raudonos spalvos. Nuotrauka: ESA
Apskritai juodosios skylės yra erdvėlaikio sritys, kuriose materija suspausta į mažą erdvę. Tuo tarpu tamsioji materija yra materija, kuri neatspindi ir nesugeria šviesos. Mes žinome, kad ji egzistuoja dėl savo gravitacinės įtakos galaktikoms ir kitoms kosminėms struktūroms.
Ją galima laikyti „klijais“, kurie laiko galaktikas kartu, bet mes nežinome, iš ko ji sudaryta iš fundamentaliame lygmenyje. Dauguma fizikų mano, kad tamsiąją materiją sudaro dar neatrastos subatominės dalelės.
Tačiau senovės juodosios skylės, susidariusios prieš Didįjį sprogimą, taip pat atitinka šį modelį. Jos tamsios, bet taip pat turi masę – būtent tokias savybes, kokių reikia.
Žinoma, reliktinių juodųjų skylių idėja taip pat reikalauja permąstyti patį Didįjį sprogimą.
Beveik šimtmetį kosmologai atsekė Visatos istoriją iki šio vieno dramatiško momento. Bet galbūt tai nebuvo absoliuti laiko pradžia. Galbūt Visata egzistavo ir prieš Didįjį sprogimą.
Pagal šį scenarijų Visata kolapsavo prieš plėtimąsi. Didysis sprogimas atspindi perėjimą tarp dviejų fazių.
Didžiojo sprogimo modelis buvo nepaprastai sėkmingas. Jis paaiškina kosminį mikrobangų foną – ankstyvosios Visatos švytėjimą – ir prognozuoja galaktikų pasiskirstymą stebėtinu tikslumu.
Tačiau Einšteino bendrojoje reliatyvumo teorijoje taip pat yra singuliarumas – taškas, kuriame tankis tampa begalinis ir žinomi fizikos dėsniai nustoja galioti.
Daugelis fizikų tai interpretuoja ne kaip fizinę realybę, o kaip ženklą, kad teorijai kažko trūksta. Singuliarumai labiau primena matematinius įspėjimus, o mažiau fizinius objektus: jie mums sako, kad mūsų dabartinės teorijos negali apibūdinti ankstyviausių Visatos akimirkų.
Atšokimas, o ne sprogimas
Viena alternatyva – atšokančioji kosmologija. Šiame paveikslėlyje Visata prieš Didįjį sprogimą patiria susitraukimo fazę, pasiekdama itin didelį, bet baigtinį tankį. Užuot sugriuvusi į singuliarumą, ji atšoka, pradėdama naują plėtimosi fazę.
Didelės juodosios skylės iliustracija. Ar reliktinės juodosios skylės galėtų paaiškinti tamsiosios materijos paslaptį? Nuotrauka: NASA/Caltech-IPAC/Robert Hurt
Atšokimo modeliai buvo tiriami dešimtmečius, dažnai reikalaujant gravitacijos modifikacijų arba egzotiškų naujų ingredientų. Tačiau nauji tyrimai rodo, kad atšokimas gali atsirasti kaip įprastas sprendimas standartinėje fizikoje, kai nuosekliai atsižvelgiama į gravitaciją ir kvantinės mechanikos – dėsnių, valdančių gamtą mažiausiu masteliu – poveikį.
Standartinėje kosmologijoje po Didžiojo sprogimo greitai seka laikotarpis, kai ankstyvoji Visata patiria greito ir eksponentinio plėtimosi periodą. Šis etapas, žinomas kaip infliacija, efektyviai ištrina visus ankstesnių struktūrų pėdsakus.
Atšokančios Visatos situacija kitokia. Savo darbe nustatėme, kad didesni nei 90 metrų objektai galėjo išgyventi perėjimą iš kolapso į plėtimąsi. Tai palieka „reliktus“, kurie neša informaciją iš ankstesnės kosminės epochos. Šie reliktai gali būti juodosios skylės, gravitacinės bangos ir tankio svyravimai.
Kvantinė fizika pateikia galingą užuominą, kaip tai įmanoma. Pagal Paulio išskyrimo principą – kvantinės teorijos kertinį akmenį – materija „išsigimsta“ esant itin dideliam tankiui. Materija sukuria slėgį, kuris priešinasi tolesniam suspaudimui net ir nesant šilumos.
Mūsų modelyje panašus efektas veikia kosmologiniu mastu. Tai gali paaiškinti, kodėl Visata visiškai nesugriūva ir kodėl struktūros, susiformavusios prieš atšokimą ar jo metu, gali išlikti plėtimosi fazėje.
Ar Webbo teleskopo matomi „maži raudoni taškeliai“ gali būti reliktiniai juodieji skylės objektai? Nuotraukos autoriai: NASA, ESA, CSA, STScI, Dale’as Kocevskis (Colby koledžas)
Išgyvenimas apokalipsėje
Buvo nustatyti du pagrindiniai būdai, kuriais gali atsirasti reliktinės juodosios skylės.
Pirmasis – tiesioginis išlikimas. Kompaktiški objektai ir perturbacijos (tankio arba gravitacijos svyravimai), susidarę Visatos kolapso fazės metu, gali išlikti ir atšokimo metu.
Antrasis būdas dar įdomesnis. Susitraukimo metu materija natūraliai sulimpa veikiama gravitacijos, sudarydama struktūras, panašias į šiandienos galaktikų aureoles. Po atšokimo jos gali efektyviai kolapsuoti į juodąsias skyles.
Galaktikos ir žvaigždės iš susitraukimo fazės efektyviai kolapsuoja į juodąsias skyles, ištrindamos didžiąją dalį savo detalios struktūros, bet išsaugodamos savo masę.
Ar šios juodosios skylės gali būti tamsioji materija? Dešimtmečius pagrindinis kandidatas buvo fundamentalioji dalelė, tačiau, nepaisant išsamių paieškų, nė viena nebuvo aptikta.
Reliktinės juodosios skylės siūlo patrauklią alternatyvą. Jei atšokimo metu jų susidarys pakankamai, jos gali sudaryti didelę – galbūt dominuojančią – tamsiosios materijos dalį.
Ši idėja taip pat gali būti susijusi su viena intriguojančių pastarųjų metų stebėjimo mįslių.
Džeimso Webbo kosminis teleskopas (JWST) ankstyvojoje visatoje atskleidė kompaktiškų, itin raudonų objektų, kartais vadinamų „mažais raudonais taškeliais“, populiaciją. Šie astronominiai šaltiniai atrodo netikėtai masyvūs ir šviečiantys vos po kelių šimtų milijonų metų po Didžiojo sprogimo.
Daugelis astronomų įtaria, kad jie susiję su sparčiai augančiomis juodosiomis skylėmis – galbūt supermasyvių juodųjų skylių, šiandien randamų galaktikų centruose, užuomazgomis. Tačiau jų egzistavimą sunku paaiškinti standartine kosmologija. Kaip tokie masyvūs objektai galėjo taip greitai susiformuoti?
Reliktinės juodosios skylės pateikia natūralų paaiškinimą. Jei masyvios užuomazgos jau egzistavo iškart po atšokimo, ankstyvajai Visatai nereikėtų pradėti nuo nulio. Supermasyvios juodosios skylės galėjo išaugti iš senovinių išlikusių objektų, o ne iš naujai susiformavusių objektų.
Šia prasme JWST jau gali įžvelgti tokių relikvijų palikuonis.
Nauja kosmologinė sistema
Apibendrinant, atšokimo scenarijus siūlo vieningą būdą spręsti kelias ilgalaikes kosmologijos problemas.
- Didžiojo sprogimo singuliarumą pakeičia kvantinis perėjimas. Šis perėjimas galėtų būti susijęs su „Einšteino-Rozeno tilto“ koncepcija: matematiniu ryšiu tarp dviejų skirtingų erdvėlaikio sričių.
- Infliacija natūraliai atsiranda dėl dinamikos po atšokimo.
- Tamsioji energija gali būti susijusi su baigtinės Visatos globalia struktūra.
- Tamsioji materija gali būti sudaryta iš reliktinių juodųjų skylių – galbūt mūsų Visata prasidėjo kaip viena iš jų.
- Gravitacinės bangos gali nešti signalus iš ankstesnės kosminės fazės.
- Supermasyvios juodosios skylės gali turėti senovės kilmę, atitinkančią naujausius JWST stebėjimus.
Dar reikia daug nuveikti. Šias idėjas reikia patikrinti remiantis duomenimis – nuo gravitacinių bangų fonų iki galaktikų tyrimų ir tikslių kosminio mikrobangų fono matavimų.
Tačiau galimybės yra didžiulės: Visata galbūt ir neprasidėjo vieną kartą, bet galėjo atšokti. O tamsiosios struktūros, formuojančios galaktikas šiandien, gali būti relikvijos iš laikų iki Didžiojo sprogimo.
Gravitacinės bangos kaip galimi tamsiosios materijos kilmės kandidatai
Visata gali baigtis „didžiuoju susitraukimu“, rodo nauji tamsiosios energijos duomenys
Rekordinė gravitacinė banga padeda patikrinti Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją
Jei egzistuotų Multivisata, ar būtų ji svetinga gyvybei?
Koks Visatos amžius? Seniausios žvaigždės mums duoda užuominą