8 Minutės
Momentai po Didžiojo sprogimo naujagimė Visata galėjo būti kur kas judresnė nei įsivaizduojame. Nauji tyrimai teigia, kad toje sekundės dalyje tarp infliacijos ir pirmųjų branduolių susidarymo dalelių kamuoliai galėjo susitraukti į egzotiškus kompaktiškus objektus: mikroskopines juodąsias skyles, bosonų žvaigždes ir net „kanibalų žvaigždes“, maitinamų dalelių anihiliacija. Ši galimybė perrašytų dalį mūsų pasakojimo apie Visatos pirmąją sekundę ir turi reikšmingų pasekmių kosmologijai bei tamsiosios materijos modeliams.
A chaotic cradle: the Early Matter-Dominated Era and tiny halos
Kosmologai vis tik geriau atseka Visatos istoriją nuo infliacijos iki pirminės branduolių sintezės, tačiau trumpas intervalas tarp šių epochų tebėra tyrimų frontas. Keli teoriniai modeliai numato trumpojo pobūdžio Ankstyvąją Materijos Dominuojančią Erą (Early Matter-Dominated Era, EMDE) po infliacijos, kai trumpam nerelativistos dalelės dominavo energijos biudžete. Tokiose sąlygose tankio svyravimai smulkiose skalėse auga spartesniu tempu nei esant radiaciniai dominacijai, leidžiant formuotis mikroskopiniams halams gerokai prieš atomų atsiradimą.
Tiriant šią galimybę, SISSA mokslininkai kartu su INFN, IFPU ir Varšuvos universiteto komanda taikė supaprastintus, bet įžvalgius modelius, kad ištirtų, kas nutiktų, jei dalelės tokiose halose tarpusavyje sąveikautų. Jų skaičiavimai rodo, jog savitarpio sąveikos gali sukelti gravoterminį kolapsą: šiluma nuteka iš centro į išorę, branduolys traukiasi, o centrinis tankis smarkiai auga, sudarydamas palankias sąlygas formuotis kompaktiškiems objektams.
Šie procesai priklauso nuo kelių fizikinių parametrų: dalelių masės, sąveikų (skerspjūvio) dydžio, jų termodinaminio laipsnio bei pradiniu tankio svyravimų spektru. Skirtingi parametrų rinkiniai lemia skirtingas evoliucijas — nuo ilgalaikių savitarpio sąveikaujančių halų iki greitai susprogstančių centrų, kurių metu galimi fragmentacija, difuzija arba tolesnis gravitacinis žlugimas.
Modeliuose išryškėja svarbi sąvoka: kolapsas nėra vien tik gravitacinis susitraukimas — tai termodinaminiu ir kinetiniu požiūriu sudėtingas procesas, kuriame energijos mainai, šilumos transportas (pvz., per savitarpio sąveikas) ir kvantinės savybės (jei dalelės yra bosoninės) kartu sprendžia galutinę struktūrą.
How cannibal stars, boson stars and primordial black holes could appear
Tyrimas aprašo kelis galimus halų kolapso padarinius. Viename scenarijuje halai transformuojasi į kanibalų žvaigždes — objektus, kurie energiją gauna ne iš branduolinės sintezės, o iš nuolatinės juos sudarančių dalelių savianihiliacijos. Vaizduotėje tai žvaigždė, kuri tiesiog „suvalgo“ save, kad išgautų energiją; pavadinimas perteikia mintį ir pabrėžia, kaip ankstyvosios Visatos fizika galėjo priminti pažįstamus astrofizikos pavidalus, bet veikiama visiškai kitų procesų.
Dar vienas kelias veda prie bosonų žvaigždžių susidarymo, kurios palaikomos kvantinių reiškinių, o ne terminio slėgio. Jei tamsiojo sektoriaus dalelės yra bosoninės ir pakankamai lengvos, jos gali susitelkti į makroskopines, koherentes kvantines būsenas — laikinas „Bose–Einstein“ tipo kondensatus, kurių banginiai, kvantiniai savitumai priešpastatomi gravitacijai ir laikinai stabilizuoja struktūrą. Tokios bosonų žvaigždės gali būti ephemerinės, išlikti tik kelias ar kelioliką sekundžių, prieš tolesnį kolapsą arba išsklaidymą.
Galiausiai tankiausi branduoliai gali patirti nekontroliuojamą žlugimą, vedantį prie pirminių juodųjų skylių (PBH). Tyrėjų įvertinimai rodo, kad EMDE metu susiformavę halai kosminiais mastais būtų palyginti maži — masės mažesnės už maždaug 10^28 gramų. Po gravoterminio kolapso dalis susidariusių PBH gali būti dar mažesnės masės, patenkant į regionus, kur Hawking spinduliavimas veda prie greitos garavimo fazės arba kur jos išlieka kaip asteroido masės reliktai.
Šiuose scenarijuose svarbu aptarti laiko skalę: kolapsas ir galutinė struktūra gali įvykti per milisekundes, sekundes ar ilgesnį laiką, priklausomai nuo pradinio halų tankio profilių, dalelių savitarpio sąveikų stiprumo ir šilumos nešimo mechanizmų. Tad tų objektų „gyvenimo trukmė“ prieš jų išgaravimą ar integraciją į tolesnę struktūrų evoliuciją gali svyruoti, o tai lems jų poveikį vėlesnei kosminei istorijai.
Why these tiny objects matter for cosmology and dark matter
Šių mažų objektų reikšmė kosmologijai ir tamsiajai materijai yra trijų tipų. Pirma, PBH gamyba EMDE sąlygose gali būti dvipusė: kai kuriuose modelių parametrų regionuose jų būtų pagaminta per daug ir tai konflikutuotų su stebėjimų apribojimais, tokiu būdu susiaurinant galiojančius teorinius modelius. Antra, kituose režimuose procesas natūraliai gamina asteroido dydžio PBH, kurie teoriškai galėtų sudaryti visą arba dalį tamsosios materijos, siūlydami stebėtinai išbandomą alternatyvą tradiciniam daleliniam tamsiosios materijos modeliui. Trečia, daugelis lengviausių PBH išgaruoja prieš pirminę branduolių sintezę (BBN), reiškiant, kad jos galėjo keisti ankstyvąją termodinaminę istoriją net palikdamos mažai ilgalaikių likučių.
Be juodųjų skylių, ankstyvoji kanibalų arba bosonų žvaigždžių populiacija galėtų pakeisti energijos įpurškimą į foną, plėtimosi tempą ir smulkiosios skalės struktūrą tokiu būdu, kuriuos būtų galima netiesiogiai aptikti naudojant precizines kosmologines matavimus arba vėlesnių susijungimų sukeltus gravitacinių bangų signalus. Pavyzdžiui, ankstyvių mini-juodųjų skylių išgaravimai gali praturtinti fotonų ir leptonų skaičių, modifikuodami CMB energijos balansą arba BBN reakcijų grandinės sąlygas, o tai palieka spektrinius ar izotropijos pėdsakus.
Toliau pateikiami keli konkretūs poveikio keliai, kuriuos verta pabrėžti: poveikis relektiviam CMB spektrui ir anisotropijoms; papildoma šiluminė ar jonizacinė energija, keičianti rekombinacijos istoriją; smulkiosios skalės gravitacinė sąveika, keičianti galaktikų palikuonių pradmenis; bei retų, bet intensyvių gravitacinių bangų įvykiai, kuriuos ateities detektoriai (pvz., LISA) galėtų identifikuoti.
Observational prospects and theoretical questions
Šių idėjų išbandymas yra sudėtingas, bet ne neįmanomas. Paieškos asteroido masės PBH apima mikrolęšio stebėjimus, plataus lauko tranzientų apžvalgas ir kosminio foninio spinduliavimo apribojimus. Mikrolęšiavimo kampanijos (pvz., OGLE, HSC) ar tolesnės misijos gali aptikti trumpalaikius šviesos kreivės pakitimus, kuriuos sukelia mažos masės kompaktiški lęšiai. Plataus lauko greiti tranzientų tyrimai taip pat gali aptikti netikėtus kompaktiškus išsiveržimus ar periodes, kurie būtų netipiniai žinomiems astronominiams šaltiniams.
Laboratoriniai ir astrofiziniai eksperimentai, tyrinėjantys tamsiojo sektoriaus savitarpio sąveikas, taip pat gali susiaurinti parametrų erdvę, kuri leistų gravoterminį kolapsą. Pavyzdžiui, kelios eksperimentinės programos bando riboti savitarpio sąveikų stiprumą tamsiojoje materijoje, nes stiprios savitarpio sąveikos reikštų dažnesnį šilumos mainų procesą haluose ir didesnę tikimybę kolapsui.
Autoriai pabrėžia poreikį išsamesnių skaitinių simuliacijų, kurios sujungtų dalelių fiziką su halų dinamika, kad patikslintų gamybos sąlygas ir palygintų rezultatus su apribojimais iš kosminio mikrobanginio fono, pirminės branduolių sintezės ir gravitacinių bangų detektorių. Konkretūs techniniai reikalavimai apima:
- kinetinių lygtimis grįstų modelių naudojimą (Boltzmann, Vlasov) mažų skalėlių evoliucijai;
- Schrödinger–Poisson arba „wave dark matter" simuliacijas, kai tamsiojo sektoriaus dalelės yra bosoninės ir diktuoja banginį elgesį;
- N–kūnų ir hibridines simuliacijas, įskaitant šilumos mainų efektyvių parametrizacijas bei radiacinio nuostolio prie kurio nors transporto mechanizmus.
Be to, komanda svarsto idėją „apversti klausimą“: ar panašūs procesai gali vykti šiandien? Galbūt savitarpio sąveikaujančių tamsiosios materijos halų viduje dabar formuojasi kanibalų ar bosonų žvaigždės, kurios gali slėptis galaktikose kaip neįprasti kompaktiški šaltiniai. Jei taip, verta ieškoti netipinių rentgeno, radijo ar gravitacinių bangų signalų, kurie nesutaptų su žinomų objektų klasėmis.
Expert Insight
Dr. Lina Ortiz, astrofizikė, tirianti kompaktiškų objektų susidarymą, pabrėžia, kad tyrimas naudingai sujungia dalelių fiziką ir klasikinius dinaminius modelius. Ji paaiškina, jog net trumpa EMDE reikšmingai sustiprina smulkiosios skalės augimą, todėl gravoterminis kolapsas tampa daug labiau tikėtinas nei grynai radiacija dominuojančioje ankstyvoje Visatoje. Ortiz pažymi, kad įdomiausias rezultatas yra testuojamumas: jei būsimos apžvalgos apribos asteroido masės PBH arba aptiks netikėtus kompaktiškus tranzientus, mes galime įgyti tiesioginį langą į fiziką, veikusią Visatos pirmojoje sekundėje.
Ortiz taip pat atkreipia dėmesį į disciplinų sankirtą: šie tyrimai reikalauja bendradarbiavimo tarp teoretikų, skaitmeninių modeliuotojų ir stebėjimų astronomų. Tik toks tarpdalykinis požiūris leidžia kritiškai įvertinti modelių realistiškumą, palyginti rezultatus su stebėjimais ir suformuoti naujas hipotezes, kurias būtų galima patikrinti instrumentiniais duomenimis.
Šios idėjos praplečia mūsų vaizduotę apie ankstyviausias kosmines epochos. Ar kanibalų žvaigždės, trumpalaikės bosonų žvaigždės ar mikroskopinės juodosios skylės tikrai apgyvendino jaunąjį kosmosą, tebėra atvira klausimų grandinė — tačiau ši galimybė keičia požiūrį į struktūrų formavimąsi tuo laikotarpiu, kai Visata buvo trumpesnė už širdies plakimą.
Galiausiai svarbu pabrėžti trijų pagrindinių dalykų svarbą: aiškūs stebėjimų bandymai (microlęšiavimas, CMB analizė, gravitatinių bangų paieška), geresnės skaitinės priemonės (jungiant dalelių fiziką su halų dinamika) ir daugiadisciplininis bendradarbiavimas tarp teoretikų ir eksperimentatorių. Tik tokiu būdu galime patikimai nustatyti, ar šie netikėti objektai tikrai egzistavo ir kokią rolę jie galėjo atlikti Visatos evoliucijoje bei tamsiosios materijos sampratoje.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą