Mokslininkų versija: tamsiąją materiją sudaro juodosios skylės, senesnės už Visatą

Nauji tyrimai leidžia manyti, kad reliktinės juodosios skylės, galėjusios susiformuoti dar prieš Didįjį sprogimą, iki šiol daro įtaką galaktikų raidai. Pasak mokslininkų, būtent tokie objektai galėtų paaiškinti tamsiąją materiją – vieną didžiausių neišspręstų šiuolaikinės kosmologijos mįslių.

Paprastai juodosios skylės apibūdinamos kaip erdvėlaikio sritys, kuriose medžiaga suspausta į itin mažą tūrį. Tamsioji materija – tai medžiaga, kuri neskleidžia ir neabsorbuoja šviesos, todėl jos tiesiogiai nematome. Apie jos egzistavimą sprendžiama iš gravitacinio poveikio galaktikoms ir kitoms Visatos struktūroms.

Tamsiąją materiją neretai vadina „klijais“, laikančiais galaktikas kartu, tačiau iki šiol neaišku, iš ko ji sudaryta fundamentaliu lygmeniu. Dauguma fizikų linkę manyti, kad tai dar neatrasta subatominė dalelė. Vis dėlto egzistuoja ir alternatyvi hipotezė: tamsiąją materiją galėtų sudaryti senovinės juodosios skylės, nes jos „tamsios“ ir kartu turi masę – būtent tas savybes, kurių reikia.

Šią idėją autorius nagrinėja naujame moksliniame darbe. Tačiau reliktinių juodųjų skylių scenarijus reiškia, kad tektų iš naujo pažvelgti į patį Didįjį sprogimą.

Beveik šimtmetį kosmologai Visatos istoriją siejo su vienu dramatišku įvykiu – Didžiuoju sprogimu. Tačiau gali būti, kad tai nebuvo absoliuti pradžia. Galbūt prieš Didįjį sprogimą egzistavo kita Visata, kuri tam tikru metu susitraukė, o vėliau perėjo į plėtimosi fazę. Tokiu atveju Didysis sprogimas būtų šių dviejų etapų sandūra.

Įprastas Didžiojo sprogimo modelis laikomas itin sėkmingu: jis paaiškina kosminį mikrobangų foną – ankstyvosios Visatos „pošvytį“ – ir gana tiksliai prognozuoja didelio masto galaktikų pasiskirstymą. Tačiau, remiantis A. Einšteino bendrąja reliatyvumo teorija, šiame modelyje slypi singuliarumas – taškas, kuriame tankis tampa begalinis, o žinomi fizikos dėsniai nebegalioja.

Daugelis fizikų singuliarumą vertina ne kaip realų fizinį objektą, o kaip signalą, kad dabartinėms teorijoms kažko trūksta. Tokie „begalybės“ taškai veikiau primena matematinius perspėjimus: jie rodo, jog negalime patikimai aprašyti pačių ankstyviausių Visatos momentų.

Viena alternatyvų – vadinamoji „atšokimo“ (angl. bouncing) kosmologija. Šiame paveiksle Visata prieš Didįjį sprogimą patiria susitraukimo fazę ir pasiekia itin didelį, bet baigtinį tankį. Užuot subyrėjusi į singuliarumą, ji „atšoka“ ir pradeda naują plėtimosi etapą.

Tokie modeliai nagrinėjami dešimtmečius, tačiau dažnai jiems prireikia modifikuotos gravitacijos ar egzotinių, iki šiol neaptiktų ingredientų. Vis dėlto aptariamame darbe teigiama, kad atšokimas gali atsirasti ir kaip reguliarus sprendinys standartinės fizikos rėmuose, jei nuosekliai įtraukiami gravitacijos ir kvantinės mechanikos poveikiai.

Standartinėje kosmologijoje netrukus po Didžiojo sprogimo dažnai įvedamas infliacijos etapas – labai greito eksponentinio plėtimosi periodas, kuris, kaip manoma, „ištrina“ bet kokius ankstesnių struktūrų pėdsakus. Tačiau atšokimo Visatos scenarijuje situacija galėtų būti kitokia: tyrime teigiama, kad objektai, didesni nei maždaug 90 metrų, galėjo išlikti perėjimo iš susitraukimo į plėtimąsi metu.

Tai reikštų, kad po atšokimo galėtų išlikti „reliktai“, nešantys informaciją iš ankstesnės kosminės epochos. Tokie reliktai galėtų būti juodosios skylės, gravitacinės bangos ar tankio svyravimai.

Kaip tai galėtų veikti, padeda suprasti kvantinė fizika. Pagal Pauli draudimo principą, esant itin dideliems tankiams medžiaga pereina į vadinamąją degeneruotą būseną – susidaro slėgis, kuris priešinasi tolesniam suspaudimui net ir be šiluminio poveikio. Autoriaus teigimu, analogiškas efektas gali pasireikšti ir kosmologiniu mastu, neleisdamas Visatai visiškai „susmukti“ bei suteikdamas galimybę daliai struktūrų išlikti.

Tyrime išskiriami du pagrindiniai keliai, kaip galėtų atsirasti reliktinės juodosios skylės. Pirmasis – tiesioginis išlikimas: kompaktiški objektai ir perturbacijos (tankio ar gravitacijos svyravimai), susiformavę susitraukimo fazėje, galėtų pereiti per atšokimą.

Antrasis – dar įdomesnis: susitraukimo metu medžiaga natūraliai telkiasi veikiama gravitacijos, formuodama struktūras, panašias į šiandien galaktikas talpinančius halus. Po atšokimo šios sankaupos galėtų efektyviai kolapsuoti į juodąsias skyles.

Kitaip tariant, susitraukimo fazės galaktikos ir žvaigždės galėtų „sugriūti“ į juodąsias skyles, prarasdamos daugumą smulkių struktūrinių detalių, bet išsaugodamos masę.

Ar tokios juodosios skylės galėtų būti tamsioji materija? Dešimtmečius pagrindinis kandidatas buvo fundamentali dalelė, tačiau, nepaisant intensyvių paieškų, jos aptikti nepavyko. Reliktinės juodosios skylės siūlo kitą kelią: jei jų susidarytų pakankamai daug, jos galėtų sudaryti reikšmingą – gal net dominuojančią – tamsiosios materijos dalį.

Ši idėja siejama ir su vienu pastarųjų metų stebėjimų galvosūkiu. Teleskopas „James Webb Space Telescope“ ankstyvojoje Visatoje atskleidė kompaktiškų, itin raudonų objektų populiaciją, kartais vadinamą „mažaisiais raudonais taškais“. Jie atrodo netikėtai masyvūs ir šviesūs vos po kelių šimtų milijonų metų nuo Didžiojo sprogimo.

Dalis astronomų spėja, kad tai gali būti susiję su sparčiai augančiomis juodosiomis skylėmis – galbūt tai šiuolaikinių supermasyvių juodųjų skylių, esančių galaktikų centruose, užuomazgos. Tačiau standartiniame kosmologijos scenarijuje sunku paaiškinti, kaip tokie masyvūs objektai galėjo susiformuoti taip greitai.

Reliktinių juodųjų skylių hipotezė siūlo natūralesnį paaiškinimą: jei iškart po atšokimo jau egzistuotų masyvūs „sėklų“ objektai, ankstyvajai Visatai nereikėtų visko pradėti nuo nulio. Tuomet supermasyvios juodosios skylės galėtų augti iš senovinių „išgyvenusių“ objektų, o ne susiformuoti tik naujai.

Apibendrinant, atšokimo scenarijus siūlo vieningą būdą spręsti kelias įsisenėjusias kosmologijos problemas. Vis dėlto dar reikės daug darbo: šias idėjas būtina patikrinti stebėjimų duomenimis – nuo gravitacinių bangų fono iki galaktikų apžvalgų ir itin tikslių kosminio mikrobangų fono matavimų.

Tačiau pati galimybė reikšminga: Visata galėjo prasidėti ne vieną kartą, o „atšokti“, o šiandien galaktikas formuojančios tamsios struktūros galėtų būti reliktai iš laikų, buvusių dar iki Didžiojo sprogimo.