Tamna tvar već desetljećima ostaje jedna od najvećih neriješenih zagonetki moderne kozmologije. Ne vidimo je, ne emitira ni ne upija svjetlost, ali njezina gravitacija određuje kako se galaksije formiraju i drže na okupu. Nova teorija sada predlaže neočekivano rješenje: umjesto neotkrivene subatomske čestice, tamna tvar mogla bi biti sastavljena od crnih rupa koje potječu iz faze svemira prije samog velikog praska.
Ideju razrađuje Enrique Gaztañaga, profesor astrofizike s Instituta za kozmologiju i gravitaciju pri Sveučilištu u Portsmouthu. No takvo objašnjenje povlači i dublju promjenu: veliki prasak više ne bi bio apsolutni početak svega, nego prijelaz između dvaju stanja svemira.
Svemir koji se urušava i ponovno rađa
Standardni kozmološki model iznimno je uspješan. Objašnjava kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje, odnosno slabi odsjaj ranog svemira, i vrlo precizno predviđa raspodjelu galaksija na velikim razmjerima. Ipak, u njegovoj osnovi nalazi se problem koji fizičari desetljećima pokušavaju zaobići: singularnost, točka beskonačne gustoće u kojoj poznati zakoni fizike prestaju vrijediti.
Zbog toga dio istraživača smatra da singularnost nije stvarni fizički događaj, nego znak da teorija nije potpuna. Jedna od alternativa je takozvani “odskočni svemir”. U toj slici svemir najprije prolazi kroz fazu kontrakcije, zatim doseže iznimno veliku, ali konačnu gustoću, i potom prelazi u fazu širenja. Veliki prasak u tom slučaju nije početak vremena, nego trenutak prijelaza između dva stanja.
Takvi modeli postoje desetljećima, ali često zahtijevaju izmjene opće teorije relativnosti ili uvođenje egzotičnih fizikalnih sastojaka. Novo istraživanje tvrdi da “odskok” može proizaći i unutar standardne fizike ako se dosljedno uključe kvantni učinci, odnosno zakoni koji vrijede na najmanjim skalama.
U klasičnoj slici svemira, neposredno nakon velikog praska slijedi faza iznimno brzog širenja, poznata kao inflacija. Ona praktički briše sve tragove eventualnih ranijih struktura. No u odskočnom scenariju situacija je drukčija: dio struktura može preživjeti prijelaz iz kolapsa u širenje.
Prema izračunima, objekti veći od približno 90 metara mogli bi opstati kroz taj prijelaz. To uključuje ne samo crne rupe, nego i gravitacijske valove te nepravilnosti u gustoći materije koje nose informaciju o prethodnoj fazi svemira.
Ključni mehanizam koji to omogućuje dolazi iz kvantne fizike. Prema Paulijevu principu isključenja, materija pri ekstremno velikim gustoćama prelazi u stanje u kojem stvara tlak koji se opire daljnjem sabijanju, čak i bez toplinske energije. U ovom modelu sličan efekt djeluje na razini cijelog svemira, sprječavajući potpuni kolaps i omogućujući “odskok”.
Crne rupe kao nasljeđe starog svemira
Istraživači opisuju dva glavna načina nastanka takvih reliktnih crnih rupa. Prvi je izravno preživljavanje: kompaktni objekti i gravitacijske nepravilnosti nastale tijekom faze urušavanja jednostavno prolaze kroz prijelaz i opstaju u novoj fazi širenja.
Drugi scenarij povezan je s načinom na koji se materija ponaša tijekom kontrakcije. Pod utjecajem gravitacije ona se prirodno grupira u strukture nalik haloima u kojima se danas nalaze galaksije. Nakon prijelaza u fazu širenja, te se strukture mogu učinkovito urušiti u crne rupe.
U tom procesu galaksije i zvijezde iz faze kontrakcije gube svoju složenu unutarnju strukturu, ali zadržavaju masu. Rezultat su crne rupe koje nose “naslijeđe” prethodnog svemira.
Ako takvih objekata ima dovoljno, oni bi mogli činiti velik dio tamne tvari. Time bi se otvorila ozbiljna alternativa dominantnoj hipotezi prema kojoj tamnu tvar čine još neotkrivene elementarne čestice. Unatoč desetljećima eksperimenata, takve čestice još nisu potvrđene.
Ova ideja dobiva dodatni kontekst u svjetlu novijih opažanja svemirskog teleskopa James Webb. U ranom svemiru otkrivena je populacija vrlo kompaktnih i izrazito crvenih objekata, često nazivanih “male crvene točke”. Pojavljuju se već nekoliko stotina milijuna godina nakon velikog praska, a pritom su neočekivano masivni i sjajni.
Mnogi astronomi pretpostavljaju da su povezani s brzim rastom crnih rupa, možda kao rani stadiji supermasivnih crnih rupa kakve danas nalazimo u središtima galaksija. No standardni model teško objašnjava kako su takvi objekti mogli nastati tako brzo.
Drevne crne rupe nude jednostavnije objašnjenje. Ako su masivna “sjemena” postojala odmah nakon prijelaza iz kolapsa u širenje, tada svemir nije morao počinjati od nule. Supermasivne crne rupe mogle su rasti iz već postojećih objekata, a ne nastajati od malih početnih struktura.
U tom smislu, opažanja teleskopa James Webb možda već bilježe potomke tih drevnih objekata.
Šira slika koju nudi ovaj pristup povezuje više dugotrajnih problema u kozmologiji. Singularnost velikog praska zamjenjuje se kvantnim prijelazom, inflacija može prirodno proizaći iz dinamike blizu tog prijelaza, tamna energija može se povezati s globalnom strukturom konačnog svemira, a gravitacijski valovi mogli bi nositi informacije iz prethodne kozmičke faze.
Unatoč tome, ključni test tek slijedi. Ovakve teorije moraju se suočiti s opažanjima, od pozadinskih gravitacijskih valova do preciznih mjerenja kozmičkog mikrovalnog zračenja i raspodjele galaksija.
Ako se potvrde, posljedice bi bile duboke. Svemir ne bi bio jedinstveni događaj s početkom u velikom prasku, nego proces u kojem se faze urušavanja i širenja smjenjuju. A strukture koje danas oblikuju galaksije mogle bi biti ostatci nečega što je postojalo prije svega što smo dosad smatrali početkom.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
