Черные дыры времен Большого взрыва могли стать «космическими окаменелостями»

Фото из открытых источников

Новое исследование профессора Энрике Гастаньяги из Университета Портсмута и Института космических наук в Барселоне предполагает, что некоторые черные дыры образовались до Большого взрыва и пережили космический «отскок», что потенциально объясняет темную материю, фоновые гравитационные волны и ранний рост сверхмассивных черных дыр и галактик. Его статья была опубликована в журнале Physical Review D.

«Почти столетие космологи прослеживали историю Вселенной до одного драматического момента, известного как Большой взрыв», — сказал профессор Гастаньяга.

В стандартной картине пространство и время возникли из чрезвычайно горячего и плотного состояния около 13,8 миллиардов лет назад, за которым последовали миллиарды лет космического расширения и формирования галактик.

Эта модель оказалась чрезвычайно успешной. Она объясняет космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ) — слабое излучение, оставшееся от ранней Вселенной, — и точно предсказывает распределение галактик на огромных космических расстояниях.

Однако некоторые из самых глубоких загадок физики остаются неразгаданными. Мы до сих пор не знаем, что вызвало Большой взрыв, почему Вселенная зародилась в таком особом состоянии, что стало причиной кратковременного всплеска быстрого расширения, известного как инфляция, или что представляет собой невидимая темная материя, которая примерно в пять раз превосходит обычную материю по массе.

«Наше исследование рассматривает возможность, которая могла бы связать несколько из этих загадок: Вселенная, возможно, зародилась вовсе не в результате единого взрыва, а возникла в результате космического отскока, имитирующего инфляцию, при этом некоторые из древнейших объектов во Вселенной потенциально сохранились как реликвии, существовавшие до этого», - говорит Гастаньяга.

Некоторые черные дыры могли образоваться на более ранней космической стадии и пережить отскок, оставив после себя реликтовые объекты, которые могут по-прежнему влиять на структуру галактик спустя миллиарды лет.

Другие могли образоваться вскоре после отражения от усиленных флуктуаций плотности, когда материя в ранней Вселенной была неравномерно распределена в более плотных и выраженных скоплениях, чем обычно.

Эти увеличенные скопления материи легче коллапсировали бы под действием собственной гравитации, что повышало бы вероятность образования крупных космических структур — и черных дыр — на ранних этапах развития Вселенной.

В теории общей относительности Эйнштейна Большой взрыв соответствует сингулярности — точке, где плотность становится бесконечной и известные законы физики перестают действовать.

Многие физики интерпретируют это как признак того, что наше нынешнее описание самых ранних моментов существования Вселенной является неполным.

Одна из альтернативных идей — это «прыгающая» космология, согласно которой наша Вселенная возникла из очень большого облака, которое сначала сжимается, а затем снова расширяется.

Вместо того чтобы коллапсировать в бесконечную сингулярность, Вселенная достигает очень высокой, но конечной плотности, прежде чем изменить направление своего движения.

«Сингулярности часто свидетельствуют о том, что наше теоретическое описание достигло своих пределов», — сказал профессор Гастаньяга. «Отскок обеспечивает Вселенной возможность перехода от сжатия к расширению без необходимости появления новых экзотических физических явлений».

Ученые предполагают, что этот эффект может естественным образом возникнуть в результате квантовой физики. При чрезвычайно высоких плотностях квантовые эффекты создают мощное давление, которое препятствует бесконечному сжатию материи — явление, которое уже стабилизирует плотные объекты, такие как белые карлики и нейтронные звезды, и воспроизводит фазу инфляционного расширения.

В новой модели подобный эффект может наблюдаться в космических масштабах. По мере сжатия Вселенной это квантовое давление может остановить коллапс и вызвать возврат к расширению.

Этот скачок также может объяснить две самые большие загадки космологии.

Во-первых, это может объяснить, почему ранняя Вселенная расширялась так быстро и равномерно во всех направлениях.

Во-вторых, это могло бы пролить свет на то, почему Вселенная сегодня, по-видимому, ускоряет свое расширение, — эффект, который в настоящее время приписывается малоизученной силе, называемой темной энергией.

Один из поразительных выводов заключается в том, что некоторые структуры, образовавшиеся во время фазы коллапса, могли пережить отскок.

Новые расчеты показывают, что компактные объекты размером более примерно 90 м могут пройти через этот переходный период и вновь появиться во расширяющейся Вселенной в виде окаменелостей, сохранившихся с давних времен.

К числу возможных реликвий относятся гравитационные волны, флуктуации плотности и древние черные дыры.

Эти остаточные черные дыры могут помочь объяснить темную материю — невидимое вещество, формирующее галактики и крупномасштабную структуру Вселенной.

Если во время отскока образовалось большое количество таких частиц, они могли бы составить значительную долю — а возможно, и всю — темную материю.

Эта идея также может помочь объяснить недавние открытия, сделанные космическим телескопом имени Джеймса Уэбба, принадлежащим НАСА/ЕКА/КСА, — неожиданно массивных объектов в ранней Вселенной, иногда называемых «маленькими красными точками».

Многие астрономы подозревают, что эти источники связаны с быстро растущими черными дырами, которые неожиданно появились вскоре после Большого взрыва.

«Если бы массивные черные дыры существовали сразу после отскока, ранней Вселенной не пришлось бы начинать с нуля при формировании первых галактик», — сказал профессор Гастаньяга.

Теория также содержит предсказания, которые можно проверить с помощью будущих наблюдений.

Ученые могли бы искать реликтовые гравитационные волны из предыдущей космической фазы или тонкие закономерности в реликтовом излучении, которые сохраняют следы Вселенной до Большого взрыва.

«Предстоит еще много работы, чтобы проверить эти идеи», — сказал профессор Гастаньяга. «Но если Вселенная действительно пережила скачок, то темные структуры, формирующие современные галактики, могут быть остатками космической эпохи, предшествовавшей Большому взрыву».