Sukurta praeito amžiaus viduryje ir po poros dešimtmečių tapusi dominuojančiu Visatos evoliucijos aiškinimu, Didžiojo sprogimo teorija yra neatsiejama astronomijos dalis. Konkordacinis (arba ΛCDM) kosmologinis modelis – prieš beveik 15 metų nusistovėjusi matematinė teorijos išraiška – paaiškina galaktikų išsidėstymą ir grupavimąsi į spiečius, greitėjantį Visatos plėtimąsi, foninę mikrobangę spinduliuotę ir įvairius kitus reiškinius.
Sukurta praeito amžiaus viduryje ir po poros dešimtmečių tapusi dominuojančiu Visatos evoliucijos aiškinimu, Didžiojo sprogimo teorija yra neatsiejama astronomijos dalis. Konkordacinis (arba ΛCDM) kosmologinis modelis – prieš beveik 15 metų nusistovėjusi matematinė teorijos išraiška – paaiškina galaktikų išsidėstymą ir grupavimąsi į spiečius, greitėjantį Visatos plėtimąsi, foninę mikrobangę spinduliuotę ir įvairius kitus reiškinius.
14 milijardų metų trukusios Visatos evoliucijos schema pagal Didžiojo sprogimo teoriją. Nors teorija labai sėkmingai paaiškina daugelį stebėjimų duomenų, įvairios detalės vis kiša pagalius į ratus
©NASA/„WMAP Science Team“
Bet pradėjus gilintis į detales, teorija ima braškėti. Tai galaktikų sandara neatitinka modelio prognozių, tai koks nors švytintis objektas ankstyvojoje Visatoje neturėtų ten būti, tai elementariosios dalelės neduoda ramybės kosmologams. Šiame straipsnyje pristatysiu aštuonias nemenkas dabartinės Didžiojo sprogimo teorijos problemas ir jų sprendimus ar bent jau bandymus jas išspręsti. Užbėgdamas už akių galimiems klausimams ir pastaboms pasakysiu, kad dauguma problemų gali būti išsprendžiamos kokybiškai liekant prie Didžiojo sprogimo, kaip Visatos pradžios, hipotezės, bet radikaliai pakeičiant kosmologinį modelį; visgi šiame straipsnyje sprendimų ieškosiu tokių, kurie kosmologinį modelį tik papildo ar pakeičia nežymiai.
Galaktikų demografija
Skaitmeninio modelio rezultatai, rodantys tamsiosios materijos struktūrą, kai Visatai buvo 0,9, 3,2 ir 13,7 milijardų metų. Iš beveik tolygaus pasiskirstymo, veikiant gravitacijai, susiformavo įvairaus dydžio halai, spiečiai ir kosminis voratinklis, jungiantis spiečius mažo tankio gijomis
©„Volker Springel“
Galaktikos Visatoje nėra pasiskirsčiusios tolygiai. Jos būriuojasi grupėmis ir spiečiais, šie jungiasi į superspiečius. Taip pat ir galaktikų dydžiai nėra vienodi. Didžiąją Visatos masės dalį sudaro panašaus dydžio galaktikos, kaip Paukščių Takas, bet yra ir gerokai didesnių, o kuo mažesnės galaktikos, tuo jų daugiau. Daugelis tokių nykštukinių galaktikų sukasi kaip palydovai aplink didesnes. Ir Paukščių Takas, ir Andromeda tokių palydovių turi po daugiau nei dvi dešimtis. Savaime suprantama, palydovių turi ir kitos didelės galaktikos, bet blausias nykštukines galaktikas aptikti sudėtinga, todėl jų žinoma nelabai daug.
Nors dvi dešimtys palydovių gali atrodyti nemažai, tačiau Didžiojo sprogimo teorija ir ja paremti skaitmeniniai Visatos struktūros formavimosi modeliai sako, jog jų turėtų būti daugiau. Daug daugiau – Paukščių Taką turėtų supti tūkstančiai įvairios masės palydovių. Toks didelis skirtumas tarp teorinių prognozių ir realybės vadinamas trūkstamų palydovų problema (angl. missing satellite problem).
Kodėl tų palydovų trūksta? Kai kurių Paukščių Tako palydovinių galaktikų mes dar galime būti neatradę. Prieš dešimtmetį jų žinojome tik dvylika, dabar atrasta jau 26-ios. Tačiau naujai aptinkamos galaktikos yra labai mažytės, taigi galime drąsiai teigti, jog didelių palydovinių galaktikų, kurių spinduliai siekia kiloparseką ar daugiau, atrasta nebebus. Bet net ir tokių galaktikų, jei tikėsime modeliais, turėtų būti šimtai. Taigi, šis atsakymas problemos neišsprendžia.
Nors visiškai tiksliai pasakyti kol kas neįmanoma, yra keletas tikėtinų fizikinių priežasčių, kodėl palydovų egzistuoja mažiau, nei numatoma teoriškai. Visų pirma, skaitmeniniuose modeliuose randami palydovai yra ne tas pats, kas realybėje matomieji. Turiu omeny tai, kad dauguma didelių Visatos struktūros formavimosi modelių seka tik tamsiosios materijos judėjimą, darydami prielaidą, kad dujų judėjimas yra labai panašus ir dujų sankaupos atitinka tamsiosios materijos sankaupas. Tačiau ne vien gravitacijos, bet ir hidrodinaminių procesų veikiamos dujos gali judėti visai kitaip. Aišku, didžiosios koncentracijos – galaktikos, dydžiu prilygstančios Paukščių Takui – yra ten pat, kur susitelkusi ir tamsioji materija.
Tačiau mažesniuose tamsiosios materijos telkiniuose dujos gali ilgai neužsilikti. Labai mažose galaktikose vienas supernovos sprogimas gali suteikti tiek energijos dujoms, kad jos išlekia iš tamsiosios materijos gravitacinio lauko ir vėliau nusėda didžiojoje galaktikoje. Skaitmeniniai ir analitiniai modeliai, kuriuose nagrinėjama dujų evoliucija nykštukinėse galaktikose, rodo, kad greičiausiai tokiose galaktikose žvaigždžių susiformuoja labai nedaug, o masyviausios iš jų, baigdamos savo gyvenimus, išstumia likusias dujas ir sustabdo tolesnę žvaigždėdarą. Stebėjimai rodo, jog mažiausių nykštukinių galaktikų žvaigždės susiformavo beveik vienu metu; tokie rezultatai atitinka teorinį scenarijų.
Kita priežastis, kodėl nykštukinių galaktikų gali nebūti, irgi susijusi su dujų bei žvaigždžių ištempimu lauk iš galaktikos. Taip įvyksta dėl didžiosios, „motininės“, galaktikos gravitacijos. Panašiai, kaip Mėnulis sukelia potvynius Žemėje, taip didesnė galaktika sukelia potvynius aplink ją besisukančioje nykštukinėje. Tik patvinsta, aišku, ne vanduo, o visos sudedamosios dalys – žvaigždės, dujos ir tamsioji materija. Nuo daugelio palydovinių Paukščių Tako galaktikų nusidriekusios potvynio juostos, per milijardus galinčios visai išardyti mažas galaktikas. Tiesa, šis efektas matomas ir skaitmeniniuose tamsiosios materijos modeliuose, tačiau ten jis silpnesnis, nei realybėje, nes galaktikos susidaro kompaktiškesnės (apie tai žr. žemiau).
Du aukščiau aprašyti procesai paaiškina, kodėl aplink Paukščių Taką nesisuka šimtai mažyčių palydovinių galaktikų. Bet didžiausiems palydovams tai negalioja: supernovos iš jų negali išstumti visų dujų, o potvynio jėgoms neužteko dešimties milijardų metų, visiškam galaktikų suardymui. Šiame masės ruože palydovų „trūksta“ jau nebe tiek daug – modeliai numato du–tris kartus daugiau masyvių nykštukinių galaktikų, nei aptikta stebėjimais. Šis skirtumas gali reikšti, jog modeliuose pervertinome Paukščių Tako masę. Mat kuo didesnė pagrindinė galaktika, tuo daugiau palydovų aplink ją turėtų suktis. Paprastai Paukščių Tako masė laikoma lygia dviems trilijonams Saulės masių, tačiau tikslią jos vertę nustatyti labai sudėtinga. Jei ši masė būtų vos dvigubai mažesnė (šiuo atveju tokia paklaida nėra neįmanoma), tikimybė, kad aplink mūsų Galaktiką suksis tiek masyvių palydovų, kiek jų matome, yra 40 % – pakankamai didelė, kad problemos nebekeltų. Masę padidinus iki tradicinių dviejų trilijonų, tikimybė sumažėja iki vos 5 %.
Apibendrinant trūkstamų palydovų problemą, galima pasakyti, kad jos sprendimai yra du. Pirmasis – daugelis „galaktikų“, matomų skaitmeniniuose modeliuose, yra tik tamsiosios materijos telkiniai, kurie realybėje nebūtinai tampa matomomis galaktikomis. Antrasis – Paukščių Tako masės pervertinimas gali reikšti, kad iš tiesų aplink jį suktis turėtų maždaug tiek galaktikų, kiek ir matome. Taigi Didžiojo sprogimo teorija dėl šitos problemos nežlunga.
Galaktikų struktūra
Šešių nykštukinių galaktikų tamsiosios materijos tankio struktūra. Trikampiais pažymėtos iš stebėjimų apskaičiuotos vertės, juodos ištisinės linijos – analitiniai tankio profiliai, pritaikyti prie stebėjimų rezultatų. Punktyrinės linijos rodo dažniausiai skaitmeniniuose modeliuose aptinkamą tamsiosios materijos profilį, kuris, kaip matome, neatitinka stebėjimų rezultatų
©„Eymeren“
Skaitmeninių modelių ir realybės neatitikimai trūkstamais palydovais nesibaigia. Galaktikų – ir nykštukinių, ir didelių – stebėjimai rodo, kad tamsioji materija jų haluose yra išsidėsčiusi ne taip, kaip rodo modeliai. Jos tankis skaitmeniniuose modeliuose, artėjant prie halo centro, vis auga; centrinėse halų dalyse tankis yra atvirkščiai proporcingas atstumui iki centro (arba netgi atstumui, pakeltam laipsniu, didesniu už vienetą). Realybėje tiesiogiai tamsiosios materijos tankio išmatuoti negalime, bet galime jį apskaičiuoti, žinodami poveikį žvaigždžių judėjimui galaktikoje. Šitaip randame, kad centrinėse galaktikų dalyse tamsiosios materijos tankis yra beveik vienodas, ir tik už keleto kiloparsekų pradeda mažėti. Modelių prognozuojamas tamsiosios materijos tankio profilis centrinėje dalyje vadinamas „kūpsniu“ (angl. cusp), o stebėjimais išmatuota beveik vienodo tankio sritis – „šerdimi“ (angl. core). Šių rezultatų neatitikimas, niekad neatspėsite, vadinamas „kūpsnių-šerdžių problema“ (angl. cusp-core problem).
Problema žinoma jau du dešimtmečius ir per tą laiką buvo daug analizuota, tikslinami jos mastai, bandoma paaiškinti šio skirtumo atsiradimą. Savaime suprantama, yra siūlymų ją spręsti apverčiant aukštyn kojomis visą kosmologinį modelį, arba jį bent jau smarkiai pakeičiant. Tačiau panašu, kad problemos sprendimas gali būti žymiai paprastesnis. Jis, kaip ir trūkstamų palydovų problemos sprendimas, remiasi regimosios materijos savybėmis ir evoliucija.
Bet kokia galaktika formuojasi tamsiajai materijai ir regimajai medžiagai (dujoms) kolapsuojant į tankų telkinį. Bet tamsioji materija ir dujos kolapsuoja skirtingai. Tamsioji materija negali išspinduliuoti vidinės energijos, todėl negali ir susitelkti į labai tankius gumulus. Dėl to tamsiosios materijos halai yra didžiuliai, besitęsiantys gerokai toliau, nei regimoji galaktikų dalis. Pastaroji, susiformavusi iš dujų, yra gerokai kompaktiškesnė, nes dujos vidinę energiją išspinduliuoja ir gali kolapsuoti į labai mažas struktūras (žvaigždės galaktikoje užsižiebia irgi tik dėl to, kad dujų telkiniai gali taip smarkiai susitraukti). Centrinėse galaktikų dalyse regimosios materijos yra daugiau, nei tamsiosios.
Skaitmeniniuose modeliuose, kaip jau minėjau, paprastai sekama tik tamsiosios materijos evoliucija. Pagal nutylėjimą juose daroma prielaida, kad dujų judėjimas tamsiajai materijai turi nykstamai mažą įtaką. Tačiau taip tikrai nėra. Jau vien sukrisdamos į galaktikos centrą, dujos pakeičia ten esančią tamsiąją materiją. Tačiau vien šio efekto neužtenka – bendras visos materijos tankio profilis išlieka pernelyg „plokščias“, tebeturintis šerdį, lyginant su skaitmeniniais modeliais. Reikia ieškoti kitų procesų, kaip regimoji materija išstumia tamsiąją.
Vienas iš procesų gali būti panašus į tokį materijos pakeitimą. Skaitmeniškai išnagrinėjus, kas įvyksta, į tamsiosios materijos halo kūpsnį lėtai krentant masyviam tankiam telkiniui (realus tokio telkinio pavyzdys galėtų būti kamuolinis žvaigždžių spiečius arba molekulinių dujų debesis), paaiškėjo, kad toks telkinys iš halo centro pašalina dvigubai daugiau tamsiosios materijos, nei telkinio masė. Vėliau, jei telkinys išmetamas lauk (taip gali atsitikti, jei galaktinis vėjas išpučia daug dujų), halo kūpsnis dar labiau sumažėja. Procesui pasikartojus keletą kartų, kūpsnis gali visiškai išnykti.
Gana panašus ir kitas procesas, bet čia svarbesnis dujų pašalinimas. Supernovų sprogimai ir supermasyvių juodųjų bedugnių aktyvumas gali išpūsti didžiulius dujų kiekius iš centrinių galaktikos dalių į jos pakraščius. Net jei dujos vėliau ir grįžta į centrą, grįžimas yra gerokai lėtesnis procesas, nei išstūmimas, tad jo poveikis halui – gerokai silpnesnis. Išstumtos dujos staigiai sumažina medžiagos tankį galaktikos centre, o kartu sumažėja ir gravitacinė trauka, veikianti visą materiją. Tamsioji materija „atsipalaiduoja“ ir kūpsnis ima sklaidytis. Po keleto tokių išpūtimų jo irgi gali visiškai nelikti.
Skaitmeninio modelio eigos vaizdas, rodantis dujų pasiskirstymą galaktikoje iš šono. Plonas diskas centrinėje dalyje tampa netaisyklinga turbulentiška struktūra, o supernovų sprogimai dujas išmeta statmenai galaktikos plokštumai besiplečiančiais burbulais
©„Braun&Schmidt“
Schema, rodanti, kaip supernovų sprogimai centrinėje galaktikos dalyje reguliuoja dujų kiekį. Mėlyna, žalia ir raudona linijos rodo medžiagos kiekį 200, 500 ir 1000 parsekų atstumu nuo galaktikos centro, kintančius laikui bėgant. Supernovų sprogimai medžiagą išmeta iš centrinių kelių šimtų parsekų regiono, taip paveikdami ten esančios tamsiosios materijos pasiskirstymą
©„Pontzen&Governato“
Kol kas skaitmeniniai modeliai, kuriuose nagrinėjama ir tamsiosios, ir regimosios materijos evoliucija, yra arba smarkiai supaprastinti, arba pernelyg menkos raiškos, kad vienareikšmiškai atsakytų į klausimą, ar tokio įvairialypio dujų (o gal ir žvaigždžių) judėjimo užtenka, kad išnyktų tamsiosios materijos halų kūpsniai. Bet dabar turimi rezultatai leidžia drąsiai teigti, kad ši problema kosmologijos modelių perrašinėti neprivers.
Palydovų žiedai
Dabar grįžkime prie palydovinių galaktikų ir jų išsidėstymo. Aplink Paukščių Taką ir Andromedą jų žinome pakankamai daug, kad galėtume nagrinėti jų pasiskirstymą erdvėje. Skaitmeniniai modeliai rodo, kad palydovinės nykštukinės galaktikos turėtų dideles galaktikas supti iš visų pusių – izotropiškai. Jei ir būtų kokių netolygumų, jie turėtų sutapti su galaktikas jungiančiomis kosminio voratinklio linijomis, taigi daugiau palydovinių galaktikų galima būtų rasti nebent „tarpuose“ tarp didžiųjų.
Skaitmeninio modelio eigos vaizdas, rodantis dabartinę tamsiosios materijos struktūrą aplink Paukščių Tako dydžio galaktikos halą. Matome, jog centrinį halą iš visų pusių supa daugybė mažesnių palydovų. Nors regimos galaktikos turėtų būti ne visose iš jų, bet palydovų pasiskirstymas turėtų būti izotropiškas.
Stebėjimai, ir vėl, rodo šiek tiek kitokį vaizdą. Abiejų galaktikų palydovai randami įvairiomis kryptimis, tačiau pasiskirstę jie nevienodai. Daugiau nei pusė Paukščių Tako palydovinių galaktikų sukasi tarsi viename diske (tiesa, gana storame), statmename Paukščių Tako diskui. Neseniai panaši struktūra aptikta ir tarp Andromedos palydovų – penkiolika iš 27 nykštukinių galaktikų išsidėsčiusios vienoje plokštumoje, taip pat nesutampančioje su Andromedos disku. Maža to, abi palydovų struktūros nesutampa ir su vadinamąja supergalaktine plokštuma, nusakančia Vietinės galaktikų grupės išsidėstymą.
Andromedos palydovinės galaktikos (mėlyni ir raudoni apskritimai), sužymėtos taip, kaip matomos iš Andromedos centro; geltonu apskritimu pažymėta kryptis Paukščių Tako link. Andromedos plokštuma eina horizontaliai per diagramos vidurį. Raudonai pažymėta 15 palydovinių galaktikų, sudarančių diską
©„Ibata“
Ką reiškia tokių struktūrų egzistavimas ir jų pokrypis? Visų pirma, jos greičiausiai negalėjo susiformuoti formuojantis galaktikų halams ir visai Vietinės grupės struktūrai. Tuo metu nauji maži halai didžiųjų link kristi galėjo tik arba visai izotropiškai, arba lygiagrečiai supergalaktinei plokštumai. Tiesa, sakau „greičiausiai“, nes palydovinių galaktikų žiedo plokštuma per milijardus metų galėjo pasisukti dėl ne visiškai simetriškos centrinės galaktikos traukos. Tačiau toks sukimasis yra labai lėtas – vos keli laipsniai kiekvieną kartą apsukant orbitą – taigi net ir dešimties milijardų metų negana, kad žiedai pasisuktų taip toli. Be to, šitaip besisukdamas žiedas turėtų prarasti vientisumą, mat skirtingu atstumu esančių objektų orbitos kinta skirtingais tempais.
Kitas galimas paaiškinimas, atmetamas dėl struktūrų krypties, yra supermasyvių juodųjų skylių poveikis. Iš principo centrinės galaktikos supermasyvi juodoji skylė, aktyviai rydama medžiagą ir išpūsdama didelius dujų burbulus už galaktikos ribų, gali sustabdyti žvaigždėdarą ir palydovinėse galaktikose. Tuomet jos lieka blausios ir sunkiai aptinkamos. Bet pagrindinės galaktikos diskas burbulo pūtimąsi sustabdo, taigi disko pridengtos palydovinės galaktikos žvaigždes formuoja netrukdomos ir yra puikiai matomos. Visgi paaiškinti palydovų žiedo, nesutampančio su galaktikos disko plokštuma, šitaip nepavyksta.
Na, gerai, jei negalima paaiškinti palydovų išsidėstymo nei formavimosi mechanizmu, nei juodųjų skylių poveikiu, ar tai jau yra vinis kosmologinio modelio karste? Nebūtinai. Visų pirma, tai yra tik dvi galaktikos, taigi gali būti, jog tiesiog gyvename netipinėje galaktikų grupėje. Tokią hipotezę patikrinti leis nykštukinių galaktikų atradimai prie kitų, tolimesnių, didelių galaktikų. Bet į ją daug vilčių nededu; manau, kad toks kryptingas galaktikų išsidėstymas gali būti paaiškintas kaip visos Vietinės galaktikų grupės evoliucijos pasekmė. Vienas požymis, verčiantis taip galvoti, yra tas, jog Andromedos palydovų žiedas į Paukščių Taką pasisukęs beveik tiksliai kraštu. Būtent tokia konfigūracija susidaro dvinarėse sistemose, kai aplink vieną iš narių sukasi dujos arba palydovai. Antrojo nario trauka visų palydovų orbitas arba dujų diską pasuka į tą pačią plokštumą, kaip ir abiejų narių orbitos plokštuma. Ir nesvarbu, ar sistemą sudaro dvi žvaigždės, ar dvi supermasyvios juodosios skylės; taigi galbūt taip pat elgtis gali ir dvi galaktikos.
Kol neturime gerokai daugiau stebėjimų duomenų ir/arba skaitmeninių modelių rezultatų, spėlioti apie palydovinių galaktikų išsidėstymą galima įvairiai. Turimi rezultatai yra reikšmingi ir paaiškinimą jiems rasti reikės, bet nemanau, kad jis išvers iš kojų visą dabartinę kosmologiją.
Pirmos dalies pabaiga
Trys problemos, kurias pristačiau aukščiau, turi porą bendrumų. Pirmasis – jos yra susijusios su dabartiniu galaktikų išsidėstymu ir struktūra. Tai leidžia įsivaizduoti, kad galbūt jas visas galima išspręsti vienu ypu, įvedant tik vieną papildymą ar patikslinimą į dabartinį kosmologinį modelį. Antrasis panašumas, galintis pasufleruoti patikslinimą, yra tai, jog visos šios problemos pasireiškia lyginant stebėjimus su skaitmeniniais modeliais. Skirtumų egzistavimas visiškai nestebina, nes skaitmeniniai modeliai yra tik labai grubus Visatos atspindys. Juose, kaip minėjau, paprastai įvertinama tik tamsiosios materijos evoliucija; pridėjus gerokai sunkiau apskaičiuojamą dujų judėjimą, šios problemos gali tiesiog išnykti.
Dar vienas skaitmeninių modelių trūkumas yra jų nekonkretumas. Modeliuose Visatos evoliucija tiriama siekiant nustatyti statistines savybes, taigi tarp daugybės susiformuojančių galaktikų halų atrasti vieną, labai panašų į Vietinę galaktikų grupę, sudėtinga. Net jei nagrinėjama tik nedidelė erdvės dalis, talpinanti vos keletą galaktikų, jų savybės taip pat retai kada primena konkrečias Vietinės grupės detales. Kol kas vienintelis rimtas tyrimas, kuriuo stengtasi atkurti Paukščių Taką ir jo aplinką, yra „Via Lactea“ modelis. Kai bus paleisti skaitmeniniai modeliai, sėkmingai sukuriantys visą Vietinę galaktikų grupę ir jos evoliuciją per milijardus Visatos egzistavimo metų, galbūt pamatysime ir teisingą skaičių palydovinių galaktikų, susisukusių į žiedus, ir netgi tinkamą galaktikų tankio struktūrą.
