RW Space

Новые исследования показывают, что реликтовые черные дыры, существовавшие до Большого взрыва, могут и сегодня формировать галактики. Эти черные дыры могли бы объяснить темную материю, один из самых больших нерешенных вопросов в космологии.

Вообще говоря, черные дыры — это области пространства-времени, где материя сжимается в крошечное пространство. Между тем темная материя — это материя, которая не отражает и не поглощает свет. Мы знаем, что он существует благодаря его гравитационному влиянию на галактики и другие космические структуры.

Его можно рассматривать как «клей», скрепляющий галактики, но мы не знаем, из чего он состоит на фундаментальном уровне. Большинство физиков считают, что темная материя состоит из еще не открытых субатомных частиц.

Но древние черные дыры, существовавшие до Большого взрыва, также отвечают всем требованиям. Они темные, но обладают массой — именно теми свойствами, которые необходимы.

Я исследовал эту идею в новой статье. Конечно, идея реликтовых черных дыр требует переосмысления и самого Большого взрыва.

В течение почти столетия космологи прослеживали историю Вселенной до этого единственного драматического момента. Но, возможно, это было не абсолютное начало времен. Возможно, Вселенная существовала до Большого взрыва.

По этому сценарию Вселенная схлопнулась, прежде чем подвергнуться расширению. Большой взрыв представляет собой переход между двумя фазами.

Модель Большого взрыва оказалась чрезвычайно успешной. Он объясняет космический микроволновый фон – послесвечение ранней Вселенной – и предсказывает крупномасштабное распределение галактик с поразительной точностью.

Но в общей теории относительности Эйнштейна это также сингулярность — точка, в которой плотность становится бесконечной и известные законы физики нарушаются.

Многие физики интерпретируют это не как физическую реальность, а как признак того, что чего-то не хватает. Сингулярности больше похожи не на физические объекты, а на математические предупреждения: они говорят нам, что наши современные теории не могут описать самые ранние моменты существования Вселенной.

Отскок, а не взрыв

Одной альтернативой является прыгающая космология. На этой картине Вселенная переживает фазу сжатия перед Большим взрывом, достигая чрезвычайно высокой, но конечной плотности. Вместо того, чтобы схлопнуться в сингулярность, она восстанавливается, начиная новую фазу расширения.

Модели отскока изучаются на протяжении десятилетий, часто требуя изменений в гравитации или новых экзотических ингредиентов. Но наша работа показывает, что отскок может возникнуть как обычное решение в рамках стандартной физики, когда последовательно учитываются гравитация и эффекты квантовой механики – законов, управляющих природой в мельчайших масштабах.

В стандартной космологии за большим взрывом быстро следует период, когда ранняя Вселенная подвергается периоду быстрого и экспоненциального расширения. Эта стадия, известная как инфляция, эффективно стирает все следы более ранних структур.

Для прыгающей Вселенной ситуация иная. В нашей работе мы обнаружили, что предметы размером более 90 метров могли пережить переход от коллапса к расширению.

Это оставляет после себя «реликвии», несущие в себе информацию из предыдущей космической эпохи. К таким реликвиям могут относиться черные дыры, гравитационные волны и флуктуации плотности.

Квантовая физика содержит мощный ключ к разгадке того, как это возможно. Согласно принципу Паули – краеугольному камню квантовой теории – материя становится «вырожденной» при чрезвычайно высоких плотностях. Материя создает давление, которое сопротивляется дальнейшему сжатию даже при отсутствии тепла.

В нашей модели аналогичный эффект действует и в космологических масштабах. Это может объяснить, почему Вселенная не схлопывается полностью и почему структуры, образовавшиеся до или во время отскока, могут выжить в фазе расширения.

Пережить апокалипсис

Мы выделяем два основных пути, по которым могут возникнуть реликтовые черные дыры.

Первый из них — прямое выживание. Компактные объекты и возмущения (колебания плотности или гравитации), возникшие во время фазы коллапса Вселенной, могут сохраняться в результате отскока.

Второй путь еще более интригует. Во время сжатия материя естественным образом слипается под действием силы тяжести, образуя структуры, подобные гало, в которых сегодня находятся галактики. После отскока они способны эффективно коллапсировать в черные дыры.

Галактики и звезды из фазы сжатия эффективно коллапсируют в черные дыры, стирая большую часть своей детальной структуры, но сохраняя свою массу.

Могут ли эти черные дыры быть темной материей? На протяжении десятилетий ведущим кандидатом была фундаментальная частица, но, несмотря на обширные поиски, ни одна из них не была обнаружена.

Реликтовые черные дыры предлагают убедительную альтернативу. Если в результате отскока их будет достаточно, они могут составить значительную – возможно, доминирующую – часть темной материи.

Эта идея может также быть связана с одной из самых интригующих наблюдательных загадок последних лет.

Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) обнаружил в ранней Вселенной популяцию компактных, чрезвычайно красных объектов, иногда называемых «маленькими красными точками». Эти астрономические источники оказались неожиданно массивными и яркими всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва.

Многие астрономы подозревают, что они связаны с быстро растущими черными дырами – возможно, семенами сверхмассивных черных дыр, обнаруженных сегодня в центрах галактик. Но их существование трудно объяснить в рамках стандартной космологии. Как могли такие массивные объекты образоваться так быстро?

Реликтовые черные дыры дают естественное объяснение. Если бы сразу после отскока уже существовали массивные семена, ранней Вселенной не нужно было бы начинать с нуля. Сверхмассивные черные дыры могут вырасти из уцелевших древних объектов, а не из вновь образовавшихся объектов.

В этом смысле JWST, возможно, уже видит потомков реликтов, существовавших до отскока.

Новая космологическая основа

В совокупности сценарий отскока предлагает единый способ решения нескольких давних проблем в космологии.

• Сигулярность Большого взрыва заменяется квантовым переходом. Этот переход может быть связан с концепцией «моста Эйнштейна-Розена»: математической связи между двумя несопоставимыми областями пространства-времени.
• Инфляция естественным образом возникает из динамики вблизи отскока.
• Темная энергия может быть связана с глобальной структурой конечной Вселенной.
• Темная материя может состоять из реликтовых черных дыр – возможно, наша собственная Вселенная возникла как одна из них.
• Гравитационные волны могут переносить сигналы от предыдущая космическая фаза.
• Сверхмассивные черные дыры могут иметь древнее происхождение, что соответствует недавним наблюдениям JWST.

Еще предстоит проделать большую работу. Эти идеи должны быть проверены на данных – от фона гравитационных волн до исследований галактик и прецизионных измерений космического микроволнового фона.

По теме: LIGO, возможно, обнаружила первую первичную черную дыру, говорят ученые

Но вероятность велика: Вселенная, возможно, не возникла однажды, а могла возникнуть заново. А темные структуры, формирующие галактики сегодня, могут быть реликвиями времен, предшествовавших Большому взрыву.

Энрике Газтанага, профессор астрофизики Института космологии и гравитации Портсмутского университета

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.