Exotické teorie temné hmoty. Pokud jste fanouškem všech nejúžasnějších věcí ve vesmíru, pak je tento článek pro vás.
Většina obsahu našeho vesmíru má formu zcela neznámou fyzice. To je jen hrubý fakt, na který si všichni musíme zvyknout. Pokud jste v pokušení si myslet, že je to jen nějaký druhkosmologický problém, problém, který vyvstává pouze na těch největších stupnicích, takže pro vás mám špatné zprávy. Jednou z těchto záhadných složek vesmíru je - pokud můžeme říct - forma hmoty.
Ale ne jen nějaká forma hmoty, jinak bychom ji už viděli. Ne, myslíme si, že je to druhtemný hmota; hmota, která jednoduše nereaguje se světlem. Žádné emise. Žádná absorpce. Žádné rozptylování. Nic. A skutečnost, že temná hmota existuje, by neměla býtže překvapující, že? Koneckonců, kdo diktoval, že všechno ve vesmírumusí komunikovat se světlem?
Nikdo to neudělal, a tak jsme tady. Když se podíváte na náhodnou galaxii, věci, které se rozsvítí - hvězdy, mlhoviny atd. - představují jen malý zlomek celkového množství hmoty v této galaxii. Přesný poměr mezi „normální“ hmotou a tmavou hmotou závisí na mnoha faktorech, jako je historie formace galaxie. Obecně platí, že čím menší je galaxie, tím více dominuje temná hmota.
Nejmenší galaxie, známé jako trpasličí galaxie, mohly poskytnout praktickou laboratoř pro studium temné hmoty. V těchto galaxiích je temná hmota schopna dělat to, co temná hmota dělá, aniž by některá z otravných látek ovlivňujících světlo skutečně komplikovala věci. Pokud temná hmota udělá něco zvláštního (dobře, podivnějšího než jednoduše existujícího), jako například interakce se sebou samým prostřednictvím slabé jaderné síly, nebo se skládá z více druhů exotických částic, pak se jakékoli efekty stanou výraznějšími v trpasličí galaxii než něco jako mléčná dráha.
To je vše skvělé a dobré, s výjimkou malé námitky, že zatímco se všechny tyto zajímavé fyziky dějí pod kapotou, je pro nás těžké to vidět. Protože je tma.
Jedna z mnoha věcí, kterým nerozumíme o temné hmotě, je to, jak se chová v jádrech galaxií. Jednoduché simulace vývoje galaxie předpovídají něco, co se nazývá „vrchol“ - tvrdá matice neuvěřitelně vysoké hustoty, sedící v jinak krémovém centru galaxie. Ale pozorování to neudrží: mělo by být mnoho hvězd sledujících gravitační vliv celé té temné hmoty. A v galaxii je jistě spousta hvězd, ale neže mnoho.
Něco musí vyhladit centrální temnou hmotu. Mohly to být exotické interakce v samotné temné hmotě. Mohlo by to být více světských příčin, jako je vítr supernovových, který tryská plyn. Mohly to být oba, nebo ani jedno.
Astronomové se velmi zajímají o jádra galaxií, a zejména o trpasličí galaxie, protože právě tam se mohou o temné hmotě hodně dozvědět. A navzdory jejich komplikující, chaotické fyzice stále potřebujeme hvězdy a plyn, abychom pozorovali, sondovali a studovali trpasličí galaxie v naději, že můžeme sledovat chování skryté temné hmoty. Ale trpasličí galaxie jsou daleko, matné a malé - a jejich jádra ještě více.
Jak bychom je mohli nahlédnout dovnitř?
Naštěstí mají galaxie více než hvězdné občany. Mají také černé díry. Obří supermasivní v jejich jádrech a miliony menších v nich. A užitečná může být skutečnost, že se obrovské černé díry mají tendenci se shromažďovat v jádrech svých hostitelských galaxií. Takže možná - pracujte se mnou tady - pokud bychom nějakým způsobem mohli studovat chování černých děr uvnitř trpaslicových galaxií, mohli bychom získat nějaké vodítka k povaze temné hmoty.
Ale černé díry jsou také černé a těžko vidět. A malý. A daleko. Naštěstí nemusíme vidět černé díry - slyšíme je.
Když se černé díry srazí, otřásají se a deformují strukturu časoprostoru natolik, že způsobují vlny, jako vlnky, které se šíří z těžkého kamene, padly do vody. Tyto gravitační vlny se šířily vesmírem rychlostí světla, při jakémkoli mytí se stáhly a stlačovaly všechny zasahující látky. Ve skutečnosti je vaše tělo, jak to čtete, zataháno a stlačeno jako kus tmelu z nesčetných gravitačních vln procházejících Zemí.
Tyto gravitační vlny je šíleně obtížné odhalit, a proto první lidé, kteří je změřili, dostali za své desetiletí trvající snahy použít rušivé paprsky světla k zachycení jemného signálu nějaké Nobelovy ceny.
Naše tři observatoře gravitačních vln na povrchu Země nám však nemohou pomoci s problémem černé díry uvnitř trpaslíka-galaxie ke studiu temné hmoty. Ty černé díry - známé jakočerné díry střední hmotnosti - jsou příliš malé na to, aby sem při fúzi dojely detekovatelnou signální cestu sem.
Ale observatoř gravitační vlny ve vesmíru mohla. Navržená mise LISA (což znamená, jak jste si možná mysleli, laserová interferometrická kosmická anténa), může mít správnou citlivost, aby viděla signál slučování středně velkých černých děr, stejně jako ty, které se nacházejí v srdcích trpasličích galaxií.
A podle nového článku nedávno přijatého Astrophysical Journal Letters pod vedením Tomáše Tomfalho z univerzity v Curychu mohou různé modely temné hmoty (a její možné interakce s běžnou látkou milující světlo) ovlivnit, jak často a jak rychle černé díry v trpasličích galaxiích se spojí, což je něco, co LISA dokáže rozebrat.
Je to kruhový objezd k pochopení temné hmoty, ale v tak znepokojivém problému, jako je tento, je to slibná.
Číst dále: „Tvorba binárních dírek LISA Black Hole v galaxiích Merging Dwarf: Imprint of Dark Matter“
