Медленное дыхание пространства и древние массивные черные дыры
Проблеме темной материи уже почти сто лет — с открытия в 1933 году Фрицем Цвикки гравитационной стабильности скоплений галактик, которые не должны быть стабильны, если судить только по видимой материи в них. Этой проблеме сначала не уделялось должного внимания, но она неотвратимо росла, расползаясь на галактические и космологические масштабы. Квантовые космологи долго пытались продать в качестве темной материи кучу неведомых зверюшек в виде элементарных частиц, но, невзирая на предоплату в виде миллиардов долларов, так и не сумели предоставить покупателю ничего реального — все зверюшки (которых обычно ласково называют ВИМПами) оказались мертворожденными. Поэтому в последние годы пошел в гору тренд о том, что темная материя состоит из черных дыр. Прекрасная идея, которая имеет главную проблему –, а где взять столько дыр? Ведь практически единственный известный механизм их образования — взрыв сверхновой, сжимающий свое ядро в компактный объект в несколько масс Солнца, который и превращается в черную дыру. Но эти взрывы сверхновых можно по пальцам пересчитать — и их явно не хватает. Несколько лет назад стала раскручиваться тема первичных (primordial) черных дыр, которые должны возникнуть в результате какого-то гипотетического механизма в разгар Большого Взрыва. Если посмотреть по статьям, размещаемым в arxiv, то год назад на ключевые слова WIMP и primordial black holes (PBH) выскакивало примерно одинаковое количество статей — что уже удивительно, потому что «чернодырниками» были немногочисленные теоретики, а за «вимпистами» стояли огромные коллективы обсерваторий, где искались ВИМПы — под землей, в Антарктиде, в космосе и т.д. Если сейчас, 21 мая, посмотреть архив, то за май о ВИМПах опубликовано 4 статьи, а о PBH — 27. Разница в несколько раз! Все умные ученые должны вливаться в этот бурный поток и с упоением клепать модели образования PBS на основании гравитонов, тахионов, биткоинов, а также колебаний инфлатона и индекса Доу-Джонса.
Среди современных космологов есть небольшое подмножество, которое можно назвать «партией Оккама». Оккамисты не такие «умные», поэтому никогда не достают из широких штанин волшебные палочки и не создают новых монстров и сущностей. Они задаются необычными вопросами, например: А можно ли получить нужное количество черных дыр без привлечения гипотетических моделей и потусторонних сил?
Тут любой нормальный человек покрутит пальцем у виска: как создать много черных дыр, если единственный механизм их генерации может создать лишь их небольшое количество? Очевидно, надо придумывать новый механизм их генерации! Это нормальная точка зрения, вот только настоящая наука и нормальность обычно ортогональны. Действительно, уже сто лет существует концепция периодической Вселенной. Можно ли в этой модели накопить черные дыры? Ведь в каждом космологическом цикле будет возникать новая популяция черных дыр — возможно, они так и накопятся?
У адвокатов дьявола сразу возникают вопросы и возражения: А какой минимальный размер пульсирующей Вселенной? А что будет с черными дырами в момент максимального сжатия мира? Они могут просто слиться друг с другом — и не будет никакого накопления! На эти вопросы отвечать надо с умом, то есть с помощью расчетов и моделей. Целый ряд моделей сходятся в том, что минимальный размер пульсирующей Вселенной будет равен десятку световых лет. Именно при таком размере мира, реликтовые холодные фотоны становятся могучими гамма-квантами, который вдребезги разбивают даже прочнейшие атомы железа до барионного «порошка». И вот удивительное совпадение — если предположить, что вся темная материя состоит из черных дыр звездных масс, то все дыры мира легко уместятся в скромном объеме максимально сжатой Вселенной. А раз они там умещаются, то при расширении Вселенной черные дыры прошлого цикла вполне могут уцелеть и попасть в наш цикл. Но при этом они, конечно, будут расти, поглощая плотное вещество сжатой Вселенной. Численность дыр — наоборот, будет уменьшаться, потому что их будут поглощать более крупные дыры. Можно построить простую модель из двух простых итерационных формул, одна из которых будет описывать аккреционный рост дыр, пропорциональный площади их поверхности, а другая — уменьшение их численности при поглощении крупными дырами. Такая модель в соавторстве с видным астрономом Сергеем Тюльбашевым была построена в «Астрофизическом бюллетене» за 2021 год (https://www.sao.ru/Doc-k8/Science/Public/Bulletin/Vol76/N3/ASPB285.pdf). Получилось вот что:
Как оказалась, модель зависит фактически от одного параметра, а именно отношения двух параметров C и D, введенных для двух итерационных формул (см. (9) и (10) в статье). И вот модель, управляемая лишь одним параметром D/C, привела к картине распределения черных дыр от нескольких масс солнца до нескольких миллиардов масс солнца, удивительно хорошо совпадающей с наблюдениями черных дыр. В этой модели черные дыры звездных масс накапливаются за несколько сот циклов как раз в нужном для объяснения темной материи количестве. Эта модель непринужденно объясняет малое количество ЧД промежуточной массы — от ста масс солнца до ста тысяч, потому что именно в этом интервале дыры быстро растут, а следовательно, накапливаются мало, быстро переходя в класс сверхмассивных дыр, которых тоже очень мало, но они настолько массивны, что формируют вокруг себя галактики, тем самым ярко заявляя о себе миру. Эту модель эволюции популяции черных дыр может легко закодировать любой программист — и вволю поиграть в разные вселенные, хотя реальная Вселенная будет соответствовать только одному значению отношения параметров: D/C=100.
Что является конечным продуктом этой эволюции черных дыр? Очевидно, что, так или иначе, в конце распределения по размерам возникнет огромная дыра. Следовательно, мы имеет следующую проблему: каждый цикл рождается большая популяция мелких дыр, которая приводит, в конце концов, к появлению огромной черной дыры. Для построения модели пульсирующей Вселенной, нужно, чтобы распределение черных дыр было стационарным на временах больше одного цикла, то есть бы сохраняло бы свой вид в каждом цикле. Следовательно, нужно, как минимум, уничтожить неуничтожимую огромную черную дыру, возникающую в каждом цикле. Тут нормальные люди снова покрутят пальцем у виска. А природа сама нашла выход из безвыходной ситуации: черная дыра, никого не спрашивая, проглотит нас и нашу галактику, как и все остальные галактик вокруг. И фактически исчезнет из распределения черных дыр. А мы окажемся внутри горизонта событий, и это поглощение будет случаться в каждом цикле, так что мы привыкнем и будем спокойно жить в черной дыре.
Данная космологическая модель популярно излагается в книге «Пульсирующая Вселенная», которая выйдет в следующем месяце в издательстве «Питер» (Это общая презентация книги: https://www.youtube.com/watch? v=QyVAPTdPC4Y, а здесь можно сделать предзаказ и прочитать ключевую восьмую главу из середины книги: https://habr.com/ru/companies/piter/articles/815713/).
Тут многие спросят:, а причем тут заявленное в заголовке «медленное дыхание пространства»? А вот причем: популяция черных дыр, сжимаясь до ничтожного (по космологически меркам) размера в десяток световых лет, при слиянии дыр породит мощный всплеск реликтового гравитационного излучения с частотой в сотню герц, которая сейчас превратится в наногерцовые частоты — то есть в медленные волны пространства-времени с периодом в несколько лет. Это дыхание пространства было недавно открыто консорциумом НАНОграв, объединяющим североамериканские радиотелескопы, которые наблюдают миллисекундные пульсары. Потом это открытие подтвердил австралийский радиотелескоп, у которого достаточно независимая база данных по пульсарам. А на днях появилась статья (https://arxiv.org/abs/2306.16227) европейских и индийских астрономов, подтверждающих это открытие уже по своим данным. Таким образом, наблюдатели надежно зарегистрировали медленное (от года до 10 лет) колебание («дыхание») пространства, которое вызвано реликтовым гравитационным излучением, возникшем очень давно, при слиянии массивных древних черных дыр в момент максимального сжатия пространства. Это означает, что революция в космологии в самом разгаре.
Habrahabr.ru прочитано 3048 раз
