Нова модель пропонує походження темної енергії від чорних дір та може пояснити масу нейтрино
Фізична модель, заснована на чорних дірах, що перетворюють матерію на темну енергію, пропонує вирішення проблем у нашому розумінні Всесвіту, включаючи масу примарних частинок, які називаються нейтрино.
Про це розповідають у Мічиганському університеті, передають OstanniPodii.com.
Завдяки високотехнологічним експериментам і дуже точним даним, зараз настав захопливий час для дослідження найбільших невирішених питань фізики. Особливо це стосується темної енергії — так називають таємничу силу, що прискорює розширення Всесвіту.
У звіті, опублікованому в журналі Physical Review Letters, група дослідників оприлюднила нові дані, які підтверджують, що вплив темної енергії на Всесвіт, який довгий час вважався постійним, насправді змінюється з плином космічного часу. Вони показують, як ці дані можна розцінювати як сигнал про перетворення матерії в темну енергію.
Нові відкриття зроблені за допомогою Спектроскопічного приладу для дослідження темної енергії (DESI), встановленого на 4-метровому телескопі Ніколаса У. Мейала в Національній обсерваторії Кітт-Пік у південній Аризоні. Він заглядає в глибоке минуле Всесвіту за допомогою 5000 роботизованих очей, кожне з яких кожні 15 хвилин фокусується на іншій галактиці.
Працюючи майже щоночі, DESI вже склав карту мільйонів галактик та інших типів стародавніх світних об′єктів, багато з яких існували, коли Всесвіт був меншим за половину свого нинішнього розміру.
У поточному дослідженні вчені зосередилися на інтерпретації чорних дір як крихітних бульбашок темної енергії. Оскільки чорні діри утворюються, коли масивні зорі вичерпують своє ядерне паливо й колапсують, ця гіпотеза космологічно пов′язаних чорних дір (CCBH) вимагає перетворення зоряної матерії в темну енергію.
Це зручно пов′язує швидкість виробництва темної енергії та споживання матерії з тим, що вимірюється протягом десятиліть космічним телескопом «Габбл», а тепер і космічним телескопом «Джеймс Вебб»: швидкістю утворення зірок.
«Ця стаття [в журналі Physical Review Letters] вперше пристосовує дані до конкретної фізичної моделі, і це добре працює», — сказав член колаборації DESI Грегорі Тарле, почесний професор фізики Мічиганського університету та автор нового звіту.
Основна увага в дослідженні приділяється масі примарних частинок, які називаються нейтрино, других за поширеністю частинок у Всесвіті. Вчені знають, що ці частинки мають масу, більшу за нуль, і тому сприяють балансу матерії у Всесвіті, але їхні точні значення ще не виміряні.
Інтерпретація нових даних DESI за допомогою моделі CCBH дає вимірювання, більше за нуль, що узгоджується з тим, що вчені вже знають про ці примарні частинки, та є покращенням порівняно з іншими інтерпретаціями, які віддають перевагу нульовій або навіть від’ємній масі.
«Це як мінімум інтригує», — говорить Тарле. «Я б сказав, що "переконливе" було б більш точним словом, але ми намагаємося не вживати його в нашій галузі».
Екзорцизм для примарних частинок
Гіпотеза CCBH була висунута близько п′яти років тому співавторами дослідження Кевіном Крокером, помічником наукового співробітника Аризонського державного університету, та професором Гавайського університету Дунканом Фаррахом. Математичні описи чорних дір як крихітних крапель темної енергії, а не як монстрів, які займаються "спагеттіфікацією" та обгорнуті шаром одностороннього руху, досліджуються вченими вже понад півстоліття.
Однак ідея, що темна енергія всередині таких чорних дір може впливати на Всесвіт в цілому, була неортодоксальною. Проте з математичного погляду вона була достатньо логічною, щоб привернути увагу невеликої групи допитливих дослідників, які почали вивчати, наскільки добре ця гіпотеза пояснює спостереження та космологічні дані.
«Історично склалося так, що фізика працює саме таким чином. Ви придумуєте якомога більше ідей і якомога швидше їх відкидаєте», — сказав дослідник DESI Стів Ален, почесний професор фізики Бостонського університету та один із перших учасників розробки гіпотези CCBH.
«Ви не уникаєте нових і незвичайних ідей, а це саме те, що нам потрібно в наш час, коли існує так багато загадок».
Перші дані, що підтверджують гіпотезу CCBH, були отримані завдяки несподіваному зростанню надмасивних чорних дір у центрах неактивних еліптичних галактик порівняно із зростанням зоряних популяцій цих галактик. Але саме дані першого року роботи DESI, які показали, що щільність темної енергії відповідає швидкості утворення зірок, переконали Крокера і Фарраха об′єднати зусилля з колаборацією DESI.
«Робота з даними DESI за три роки стала поворотним моментом», — сказав Крокер про дослідження. «Ви маєте деяких з найрозумніших і найкреативніших дослідників у цій галузі, які допомагають вам своїми руками та серцями. Це абсолютний привілей».
Окрім пакетів світла, які називаються фотонами, нейтрино є найпоширенішими частинками у Всесвіті. За час, необхідний для прочитання цього речення, через ваше тіло пройде сотні трильйонів нейтрино. Але нейтрино рідко взаємодіють з навколишнім середовищем, тобто вони постійно пролітають крізь іншу матерію, залишаючись повністю невидимими, тому їх іноді називають «примарними частинками».
Вчені знають, що нейтрино мають масу, але точно визначити її величину складно через їх ефірну природу. У той час як на Землі проводяться масштабні експерименти, спрямовані на те, щоб точно визначити ці цифри, нічне небо пропонує потужний і доповнювальний спосіб знайти відповіді.
Галактичні карти DESI містять інформацію про те, як швидко зростав Всесвіт протягом останніх 10 мільярдів років, що, своєю чергою, дає космічний перелік речовини та темної енергії. Але матерія буває трьох типів: холодна темна матерія, баріони та нейтрино. Ранні вимірювання Всесвіту з післясвічення Великого вибуху вимірюють кількість темної матерії та баріонів, що існували давно. Але, згідно з DESI, сьогодні, порівняно з давнім минулим, здається, що матерії стало менше. Це залишає мало місця для нейтрино.
«Дані свідчать про те, що маса нейтрино є від’ємною, що, звичайно, є фізично неможливим», — сказав Роджер Віндхорст, професор Школи дослідження Землі та космосу Аризонського державного університету та співавтор нового дослідження.
Однак, якщо інтерпретувати це з гіпотезою CCBH, ця нефізична проблема зникає. Оскільки зорі складаються з баріонів, а чорні діри перетворюють мертву зоряну матерію на темну енергію, кількість баріонів сьогодні зменшилася порівняно з вимірами Великого вибуху. Це дозволяє нейтрино впливати на баланс матерії так, як очікується за іншими вимірами.
«Виявляється, що розподіл ймовірності маси нейтрино вказує не тільки на додатне число, але й на число, яке повністю відповідає наземним експериментам», — сказав Віндхорст. «Я вважаю це дуже цікавим».
CCBH: більше вигоди за ті ж гроші
Хоча цей результат і є найважливішим, робота також висвітлює інші корисні особливості моделі CCBH.
«Гіпотеза CCBH кількісно пов′язує явища, які спочатку не здаються пов′язаними між собою», — сказала Фаррах. «Це поєднання великих і малих масштабів, що суперечить нашій звичному лінійному інтуїтивному сприйняттю».
Матерія уповільнює зростання Всесвіту, тоді як темна енергія прискорює його. Оскільки в гіпотезі CCBH матерія перетворюється на темну енергію, прискорене розширення відбувається раніше, тому сьогоднішній темп розширення, швидкість Габбла, є дещо більшим. Це додаткове прискорення наближає космологічне вимірювання швидкості Габбла до інших вимірювань, таких як вимірювання віддалених зірок, що вибухають, які називаються надновими.
Гіпотеза CCBH також пояснює спостережувану кількість темної енергії: це не просто якесь магічне число, встановлене при народженні Всесвіту. Темна енергія походить від мертвих зірок, тому її не існує, поки не з′являться зорі, а зорі не утворюються, поки Всесвіт не стане достатньо великим і холодним. Після утворення зірок кількість темної енергії безпосередньо залежить від кількості утворених зірок.
«Робота над цим проєктом була одночасно складною та неймовірно цікавою», — каже співавтор дослідження Густаво Ніз, дослідник з Університету Гуанахуато, Мексика. «Це лише ще одна віха у встановленні CCBH як життєздатної теорії. Потрібно більше даних, ретельний аналіз і більш широке вивчення, щоб визначити, чи може вона стати новою парадигмою для пояснення нашого Всесвіту. Звичайно, вона також може бути відкинута, коли з′являться нові дані».
Крокер зазначив, що гіпотеза добре працює, коли дивитись на Всесвіт в цілому, «але дані з інших експериментів, що вивчають окремі чорні діри, не настільки переконливі. Ось чому гіпотеза є цікавою. Багато різних спостерігачів можуть її перевірити, обговорити в режимі реального часу».
За словами Алена, так працює наука. Але для вчених, які працюють над DESI з самого початку, дуже цікаво бачити, що отримані дані дають можливість дослідникам перевіряти нові та різні гіпотези.