นักวิทยาศาสตร์ชี้หลุมดำมวลมหาศาลอาจประกอบด้วยสสารมืด

สารบัญ:

นักวิทยาศาสตร์ชี้หลุมดำมวลมหาศาลอาจประกอบด้วยสสารมืด
นักวิทยาศาสตร์ชี้หลุมดำมวลมหาศาลอาจประกอบด้วยสสารมืด
Anonim

มีสองปัญหาที่รู้จักกันดีในทฤษฎีการกำเนิดของดาราจักรซึ่งนักวิทยาศาสตร์ได้พยายามแก้ไขมาเป็นเวลานาน งานวิจัยใหม่กำลังช่วยค้นหาแนวทางทั้งสอง: นักวิทยาศาสตร์ได้แนะนำว่าหลุมดำมวลมหาศาลสามารถก่อตัวได้โดยตรงจากสสารมืด นักฟิสิกส์ให้ความเห็นเกี่ยวกับทฤษฎี Forskning นี้

สิ่งนี้อาจอธิบายได้ว่าหลุมดำก่อตัวขึ้นในช่วงต้นของประวัติศาสตร์จักรวาลได้อย่างไร ตามการวิจัยใหม่

ดูเหมือนว่าดาราจักรส่วนใหญ่จะมีหลุมดำอยู่ตรงกลาง

มวลของสัตว์ประหลาดเหล่านี้มีจำนวนหลายแสน และบางครั้งก็มากกว่ามวลของดาวธรรมดาหลายพันล้านเท่า พวกเขากินก๊าซและดาวที่อยู่ใกล้เกินไป

หลุมดำสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ตายและยุบตัวลงในตัวมันเอง แต่นักวิทยาศาสตร์ไม่แน่ใจว่ายักษ์ใหญ่ขนาดมหึมามาจากไหนในช่วงเริ่มต้นของประวัติศาสตร์จักรวาล

Carlos R. Argüelles จากมหาวิทยาลัยแห่งชาติอาร์เจนตินาแห่ง La Plata พร้อมด้วยเพื่อนร่วมงานทางวิทยาศาสตร์สามคนได้พิจารณาข้อสมมติต่อไปนี้อย่างรอบคอบ: หลุมดำมวลมหาศาลสามารถก่อตัวโดยตรงจากสสารมืดได้หรือไม่?

สสารมืด

สสารมืดเป็นสสารชนิดหนึ่งในจักรวาลที่เรารู้จักน้อยมาก และปริมาณที่เรายังไม่สามารถคำนวณได้ อาจเป็นไปได้ว่ามวลของสารที่มองไม่เห็นนี้มีมวลมากกว่าสารที่มองเห็นได้ของจักรวาลถึงหกเท่า

มีการแนะนำว่าสสารมืดเป็นเพียงอะตอมธรรมดาที่ตรวจจับได้ยาก เช่นเดียวกับดาวแคระน้ำตาลและก๊าซ แต่นักฟิสิกส์ส่วนใหญ่เชื่อว่านี่เป็นอนุภาคชนิดพิเศษที่ยังไม่ถูกค้นพบ

นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าสสารมืดตั้งอยู่รอบๆ ดาราจักร เหมือนกับฟองสบู่หรือรัศมีที่กระจัดกระจาย และยังแผ่ขยายออกไปไกลกว่าดาวฤกษ์รอบนอกมากอีกด้วย

“ในดาราจักรเราเห็นดวงดาว แต่ดาราจักรส่วนใหญ่ กล่าวคือ สสารมืด เรามองไม่เห็น เราเรียกสิ่งนี้ว่ารัศมีของสสารมืด” Torsten Bringmann ศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยออสโลผู้ศึกษาเรื่องสสารมืดถึง Forskning กล่าว

สสารมืดสร้างแรงโน้มถ่วงเพิ่มเติมที่ทำให้ดาวอยู่ในตำแหน่งปัจจุบัน ตัวอย่างเช่น รัศมีของสสารมืดสามารถอธิบายได้ว่าทำไมทางช้างเผือกถึงหมุนเร็วกว่าที่ควร

เมฆแกนหนาแน่น

นักวิจัยที่ตีพิมพ์ผลการศึกษาเชิงทฤษฎีใหม่แนะนำว่าหลุมดำมวลมหาศาลก่อตัวขึ้นโดยตรงจากสสารมืดที่จุดเริ่มต้นของจักรวาล

นักวิทยาศาสตร์พบว่าบางครั้งเมฆหรือรัศมีของสสารมืดมีแกนกลางหนาแน่น และแกนกลางนี้อาจมีความหนาแน่นมากจนเมื่อถึงจุดหนึ่ง สสารจะยุบตัวเป็นหลุมดำมวลมหาศาล

นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ว่าในกาแลคซีแคระขนาดเล็ก ความหนาแน่นวิกฤตนี้อาจไม่ถึง ในนั้น แกนกลางของสสารมืดสามารถคล้ายกับหลุมดำเท่านั้น และรัศมีรอบนอกอธิบายเส้นโค้งการหมุนที่สังเกตได้ของดาราจักรดังกล่าว

“แบบจำลองนี้แสดงให้เห็นว่ารัศมีของสสารมืดสามารถมีแกนกลางที่หนาแน่นได้ เป็นไปได้ว่าพวกเขาจะมีบทบาทสำคัญในความพยายามของเราในการทำความเข้าใจว่าหลุมดำมวลมหาศาลก่อตัวอย่างไร” Carlos R. Argüellesเขียนในการแถลงข่าว

ปรากฏตัวเร็ว

ตามที่นักวิทยาศาสตร์ สมมติฐานนี้อาจอธิบายได้ว่าหลุมดำมวลมหาศาลสามารถก่อตัวขึ้นในจักรวาลได้อย่างไรตั้งแต่เนิ่นๆ

หลุมดำขนาดใหญ่บางแห่งถูกสร้างขึ้นนานก่อนที่จักรวาลจะมีอายุถึงหนึ่งพันล้านปี ในปี 2560 NASA รายงานว่าได้ค้นพบหลุมดำที่เก่าแก่ที่สุดที่ค้นพบเพียง 690 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบง ยักษ์ตัวนี้มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ถึง 800 ล้านเท่า

ตามพจนานุกรมของ Big Norwegian มีข้อสันนิษฐานหลายประการเกี่ยวกับสิ่งที่พวกเขาสามารถเกิดขึ้นได้ ตัวอย่างเช่น จากหลุมดำธรรมดา "เมล็ดพันธุ์" ชนิดหนึ่งที่ดึงดูดสสารมากขึ้นเรื่อยๆ และเติบโตมาเป็นเวลานาน

สมมติฐานอีกประการหนึ่งคือ หลุมดำหลายหลุมจากกระจุกดาวที่ตายแล้วรวมเข้าด้วยกัน นอกจากนี้ หลุมดำมวลมหาศาลยังสามารถก่อตัวขึ้นได้โดยตรงจากการยุบตัวของเมฆก๊าซที่จุดเริ่มต้นของจักรวาล

"สถานการณ์ใหม่สำหรับการเกิดขึ้นของพวกมันอาจให้คำอธิบายตามธรรมชาติว่าหลุมดำมวลมหาศาลปรากฏขึ้นที่จุดเริ่มต้นของจักรวาลได้อย่างไร โดยไม่จำเป็นต้องสันนิษฐานว่าดาวหรือ 'เมล็ดพืช' บางตัวปรากฏตัวขึ้นเป็นลำดับแรกในรูปของหลุมดำธรรมดา ซึ่งจากนั้น เติบโตอย่างรวดเร็วเกินจริง", Arguelles อธิบาย

สันนิษฐานไว้ก่อน

Thorsten Bringmann จากมหาวิทยาลัยออสโลตรวจสอบการศึกษาใหม่

นี่ไม่ใช่ครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์ได้แนะนำว่าสสารมืดเป็นแหล่งกำเนิดของหลุมดำมวลมหาศาล เขากล่าว

“มันอ้างว่าได้ทำการวิเคราะห์ที่สมจริงที่สุดแล้ว” Bringmann กล่าว "นักวิทยาศาสตร์อธิบายการกระจายตัวของอนุภาคสสารมืดและการเคลื่อนที่ของอนุภาคในตอนเริ่มต้น นั่นคือ เมื่อรัศมีหรือโครงสร้างเหล่านี้ก่อตัวขึ้น"

เป็นผลให้พวกเขาได้รับแบบจำลองรัศมีที่มีหลุมดำขนาดใหญ่อยู่ตรงกลาง

Forskning: หลุมดำมวลมหาศาลที่สร้างจากสสารมืดกับสสารธรรมดามีความแตกต่างกันหรือไม่?

ธอร์สเทน บริงมันน์: ไม่ นี่เป็นหนึ่งในการค้นพบที่ยิ่งใหญ่ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป หลุมดำอธิบายได้ด้วยตัวเลขเพียงสามตัวเท่านั้น มวล ความเร็วในการหมุน และประจุ

อันที่จริง ประจุก็ไม่สำคัญเช่นกัน เพราะหากหลุมดำกลายเป็นประจุลบ มันจะดึงดูดประจุบวกเข้ามาเองในทันที

“ดังนั้น อันที่จริง มีเพียงสองตัวเลขเท่านั้นที่อธิบายหลุมดำได้อย่างสมบูรณ์ คุณสามารถใส่ไลบรารีทั้งหมดลงไปได้และข้อมูลทั้งหมดจะหายไปและจะเหลือเพียงสองตัวเลขเท่านั้น"

นิวตริโนปลอดเชื้อ

บริงมันน์อธิบายว่านักวิทยาศาสตร์ได้เลือกสารสสารมืดที่เรียกว่านิวตริโนปลอดเชื้อ

นิวตริโนเป็น "อนุภาคผี" ที่เข้าใจยากซึ่งแทบจะไม่มีปฏิสัมพันธ์กับสสารธรรมดา นักวิทยาศาสตร์ได้แนะนำว่านิวตริโนอาจมี "พี่น้อง" ที่หนักกว่าซึ่งเรียกว่านิวตริโนปลอดเชื้อ อนุภาคสมมุติฐานเหล่านี้ได้รับอิทธิพลจากแรงโน้มถ่วงเท่านั้น ไม่ได้รับผลกระทบจากแรงธรรมชาติอีกต่อไป

อยู่ต่ำกว่าชายแดน

นักวิจัยแนะนำว่ามวลของอนุภาคดังกล่าวควรต่ำกว่าขีดจำกัดที่เกินกว่าที่การมีอยู่ของมันจะถูกตัดออกไปโดยการสังเกต Bringmann กล่าว

สิ่งที่เรียกว่าแบบจำลองมาตรฐานในจักรวาลวิทยา ΛCDM (Lambda-CDM Model) อธิบายวิวัฒนาการของจักรวาลด้วยความช่วยเหลือจากพลังงานมืดและสสารมืด "เย็น" หลายคนเห็นด้วยกับรุ่นนี้

“ความจริงที่ว่าสสารมืดนั้นเย็นชาหมายความว่าในตอนเริ่มต้นของการก่อตัวของโครงสร้างของจักรวาล สสารมืดไม่มีความเร็วที่น่าสังเกต มันจะเพิ่มความเร็วก็ต่อเมื่อมีศักย์โน้มถ่วง และแรงโน้มถ่วงจะเร่งความเร็วให้เร็วขึ้น” บริงมันน์กล่าว

สิ่งนี้กำหนดขีด จำกัด ว่าอนุภาคสามารถเคลื่อนที่ได้เร็วแค่ไหนที่จุดเริ่มต้นและมีมวลเท่าใด

“หากพวกมันเคลื่อนที่เร็วเกินไป โครงสร้างจะไม่เกิดขึ้นในแบบจำลอง ซึ่งไม่สอดคล้องกับสิ่งที่เราเห็นในระดับที่ใหญ่ขึ้น” Bringmann กล่าว

อนุภาคในการศึกษามีความรวดเร็วหรือ "ร้อน" มากที่สุดภายในแบบจำลอง

จากข้อมูลของ Bringmann หากเราพิจารณาคุณสมบัติของสสารมืดโดยสุ่ม เราก็แทบจะไม่ได้ผลลัพธ์เช่นนั้น

"แต่มันเป็นไปได้ทีเดียว"

หนึ่งในโซลูชั่นที่เป็นไปได้มากมาย

บริงมันน์เล่าว่ามีปัญหาที่รู้จักกันดีสองประการในทฤษฎีการก่อตัวของดาราจักรที่นักวิทยาศาสตร์กำลังพยายามแก้ไข

“เรารู้ว่า ตัวอย่างเช่น ในใจกลางดาราจักรของเรา และโดยรวมแล้ว ในใจกลางดาราจักรทั้งหมด มีหลุมดำขนาดมหึมา พวกเขาจำเป็นต้องเข้าใจว่าในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนาจักรวาล ดาราจักรโดยทั่วไปก่อตัวขึ้นอย่างไร

แต่ปัญหาหนึ่งคือไม่มีใครรู้ว่าหลุมดำเหล่านี้มาจากไหน เมื่อนักวิทยาศาสตร์จำลองการก่อตัวของกาแลคซี ส่วนใหญ่พวกเขาจะพูดว่า "เอาล่ะ สมมติว่าหลุมดำขนาดยักษ์มีอยู่แล้วตั้งแต่เริ่มต้น"

และเมื่อการจำลองเริ่มต้นหลังจากนั้น ทุกอย่างก็คล้ายกับที่เราสังเกตในความเป็นจริงมาก ต้องขอบคุณกล้องโทรทรรศน์ที่ทรงพลัง

ปัญหาที่สองเรียกว่า "ปัญหาจุดยอด" และเกี่ยวข้องกับการกระจายตัวของสสารมืดในดาราจักรแคระ Bringmann อธิบาย ที่นี่เมื่อสร้างแบบจำลองปรากฎว่าไม่เป็นไปตามที่คาดไว้ มีการผลิตสสารมืดมากเกินไปในใจกลางดาราจักรแคระ

“น่าทึ่งมาก การศึกษาใหม่นี้กล่าวถึงปัญหาทั้งสองนี้ด้วยคำอธิบายเดียวกัน มันน่าสนใจอย่างไม่น่าเชื่อ” บริงมันน์กล่าว

แต่มีรุ่นอื่นๆ ที่ช่วยแก้ปัญหาเหล่านี้ได้ อาจไม่มีมติร่วมกันว่าข้อใดดีที่สุด