№02 февраль 2023

Портал функционирует при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций.

Вселенная, пульсирующая в чёрной дыре

Николай Горькавый

Ни в одной области науки, кроме космологии, нет такого количества произвольных и заведомо ошибочных теорий, сосуществующих во времени с правильной теорией.
Академик Я. Б. Зельдович

Галактики из Квинтета Стефана.
Александр Александрович Фридман (1888—1925).
Георгий Антонович Гамов (1904—1968).

Происхождение Вселенной всегда волновало людей. Диалектик и мизантроп Гераклит Эфесский (VI—V века до н. э.) считал наш мир вечным и пульсирующим: «Этот космос, один и тот же для всех, не создал никто из богов, никто из людей, но он всегда был, есть и будет вечно живой огонь, мерно возгорающийся, мерно угасающий» (в изложении Алекса Климента). Блаженный Августин (354—430), наоборот, учил, что божественная воля создала не только Вселенную, но и само время. Гипотеза о недавнем сотворении мира лучше согласуется с религией: вечная Вселенная, работающая как часы, слишком самостоятельна — ей не нужен «никто из богов». Спор о вечности и одноразовости Вселенной продолжается до сих пор...

В 1915 году Альберт Эйнштейн вывел уравнения общей теории относительности, которые описали гравитацию как искривление пространства-времени и стали фундаментом современной космологии. Науки делятся на фундаментальные и прикладные. Например, электродинамика — это фундаментальная наука, описывающая электромагнитное поле посредством уравнений Максвелла. А электротехника — прикладная наука, которая на основе решений этих уравнений создаёт радиоприёмники, телефоны и микроволновки для разогрева пиццы. Теория Эйнштейна и космология соотносятся как электродинамика и электротехника, поэтому только появление фундаментальных уравнений Эйнштейна позволило начать создание конкретных моделей реальной Вселенной.

В 1917 году Эйнштейн построил модель замкнутой Вселенной, для стационарности которой он ввёл в уравнения искусственную антигравитацию — космологическую постоянную. Российский учёный Александр Фридман в знаменитой статье, опубликованной в декабре 1922 года, показал, что решение уравнений Эйнштейна приводит к нестационарной Вселенной, которая может быть как одноразовой, так и периодической. Он даже оценил продолжительность цикла Вселенной: «Будем для периода мира иметь величину порядка 10 миллиардов лет». Работа А. Фридмана, столетний юбилей которой отмечается в декабре 2022 года, стала вехой в развитии космологии. Эти 100 лет прошли в упорной борьбе между сторонниками циклической и одноразовой Вселенной.

В 1934 году космолог Ричард Толмен выдвинул серьёзное возражение против периодической Вселенной: согласно второму закону термодинамики, она обязана бесконечно накапливать энтропию, то есть не может быть строго периодичной.

Наблюдатель Весто Слайфер ещё в 1912—1914 годах доказал, что галактики движутся в разные стороны с большими скоростями. Но в чём причина такого разбегания? Популярная теория одноразовой Вселенной, выдвинутая Германом Бонди, Томасом Голдом и Фредом Хойлом, предполагала, что космос каким-то образом рождает по одному атому водорода в год в объёме «небоскрёба средних размеров», отчего изначально холодная Вселенная бесконечно расползается, как квашня из миски.

Физик Георгий Гамов в 1946 году выдвинул концепцию Большого взрыва. Он полагал, что в начале своего расширения Вселенная была раскалённым облаком из протонов и фотонов. Когда температура этого расширяющегося плазменного облака упала до трёх тысяч градусов, то его свечение стало красным, а электроны соединились с протонами, образовав атомы водорода. Такое газовое облако оказалось прозрачным для фотонов красного света, и они стали расширяться независимо, уменьшая свою температуру с ростом размера Вселенной. Гамов с соавторами оценил современную температуру этого реликтового электромагнитного излучения всего в несколько кельвинов, что близко к тепловому излучению жидкого гелия.

Гамов был сторонником циклической космологии. В книге «Создание Вселенной» (1952) он писал: «Почему наша Вселенная была в таком сильно сжатом состоянии и почему она стала расширяться? Простейший и математически наиболее корректный ответ состоит в том, что Большое сжатие, которое имело место в ранней истории нашей Вселенной, было результатом коллапса, который случился в ещё более раннюю эру, и что нынешнее расширение есть просто “упругий” отскок, который начался, как только максимально возможная плотность была достигнута».

В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вильсон открыли предсказанное Гамовым реликтовое излучение с температурой около трёх кельвинов и в 1978-м получили за это Нобелевскую премию. В астрономии прочно утвердилась концепция горячего Большого взрыва, а циклическая космология стала научным мейнстримом до 80-х годов XX века.

Обсуждалась и модель Вселенной, пульсирующей в чёрной дыре. Айзек Азимов в 1978 году в научно-популярной книге «Коллапсирующая Вселенная» отмечал: «Вполне возможно, что вся Вселенная сама по себе является чёрной дырой (как предположил физик Кип Торн)… Если это так, мы живём в чёрной дыре…»

Грандиозная идея пульсации Вселенной в чёрной дыре изящно соединяла самые эстетичные концепции космологии: в замкнутом стационарном мире Эйнштейна начало биться сердце циклической вселенной Фридмана—Гамова!

Несмотря на успехи космологии периодической Вселенной, она не смогла открыть механизм Большого взрыва и не нашла аргументы против роста энтропии. Циклическая космология не объяснила наблюдаемую однородность Вселенной и не раскрыла природу тёмной материи, которая составляет основную часть массы галактик и заставляет их вращаться быстрее, чем позволяет гравитация звёзд и облаков. Распространилось мнение, что коллапсирующая Вселенная прошлого цикла должна неизбежно сжаться в точку, в сингулярность — и это тоже подрывало доверие к циклической космологии.

Одноразовая квантовая космология

В 1981 году Алан Гус выдвинул одноразовую модель Вселенной, основанную на серии гипотез, например, что Большой взрыв вызван «инфлатоном» — гипотетическим полем антигравитации. Квантовый инфлатон с ускорением расширял крошечную Вселенную (Гус оценивает её размер в 10-54 см), за время от 10-37 до 10-35 сек, увеличивая до метрового размера, а потом исчезал. Колоссальное (на 56 порядков) раздувание сглаживало все флуктуации и объясняло однородность наблюдаемой Вселенной. Надутая до размера большой тыквы, Вселенная далее расширялась уже по инерции, без ускорения. Тёмную материю, составляющую около 90% массы галактик, квантовые космологи объяснили существованием гипотетических слабо взаимодействующих частиц. Инфляционная теория стала популярной, несмотря на базирование на сомнительных фазовых переходах, при которых микроскопическая Вселенная то быстро охлаждалась, то снова нагревалась.

В 1998 году наблюдатели обнаружили современное ускоренное расширение Вселенной, которое хорошо описывается космологической постоянной Эйнштейна. Это открытие стало полной неожиданностью для теоретиков, включая А. Гуса, признавшегося: «Это здорово ошеломило меня» (цитируется по книге: К. Пауэлл «Бог в уравнениях», 2002). Но квантовые космологи быстро оправились и ввели новую сущность: антигравитирующую «тёмную энергию» вакуума. Ускорение Вселенной, казалось, ставит крест на циклической космологии: галактики должны вечно разлетаться в разные стороны, остывать и умирать.

Космологические споры вышли даже за пределы научного сообщества. Классик американской литературы Джон Апдайк (1932—2009) написал рассказ «Ускоряющееся расширение Вселенной», который был опубликован в октябре 2004 года в литературном журнале «Харперс» (Harper’s Magazine), а в апреле 2005 года — в научно-популярном журнале «Физика сегодня» (Physics Today). В рассказе описываются переживания главного героя, который узнал, что Вселенная не циклична и бесконечно разлетается в холодную пустыню: «Вселенная значительно переживёт его — он всегда знал это. Но он каким-то образом полагался на вечность, на её существование, даже если его не приглашали участвовать в ней. Ускоряющееся расширение Вселенной обрекало окружающее пространство на жестокое разобщение и позорную кончину. Вечные гипотетические структуры — Бог, Рай, внутренний нравственный закон — теперь совершенно не имели опоры. Всё растает. Он, не мистик, всегда находил тайное утешение в мысли о вселенском пульсе, чередующемся Большом взрыве и Большом схлопывании, каждый раз переплавляющем материю в невообразимо маленькой печи, в субатомной точке нового начала. Теперь это утешение было у него отнято, и он прочно погрузился в лихорадку отчуждения, едва заметную для окружающих, — депрессию».

Эмоции литературного героя, видимо, отразили негативное отношение Апдайка к одноразовой Вселенной: «Мы летим в никуда верхом на бессмысленном взрыве. Это описывается только невидимой злобной антигравитацией, так называемой Тёмной Силой».

В 2007 году в США запустили телесериал «Теория Большого взрыва» из 279 серий (12 сезонов). Серии начинались песней: «В начале материя была в горячем и уплотнённом состоянии, потом почти четырнадцать миллиардов лет назад началось расширение...»

Пока широкая публика восторженно внимала проповедникам инфляционной космологии, среди специалистов нарастали тревожные сомнения.

Главная проблема квантовой космологии — это прикладная наука, под которой нет фундаментальной теории. Надежды на построение квантовой гравитации, которая бы объяснила инфлатон и тёмную энергию, не оправдались. Расчёты в существующей квантовой теории приводят к антигравитации вакуума на 120 порядков больше наблюдаемого значения (самое плохое теоретическое предсказание в истории физики!). За 40 лет ни одна из гипотез квантовой космологии не была подтверждена. Частицы тёмной материи не получили теоретического обоснования и не найдены в эксперименте, несмотря на многие миллиарды, вложенные в подземные лаборатории и космические обсерватории (многотонная бочка альфа-спектрометра для поиска тёмных частиц, установленная на Международной космической станции, одна стоит два миллиарда долларов). Как отмечает физик-теоретик Сабина Хоссенфельдер, «мы создаём гигантское количество новых теорий, и ни одна из них никогда не была подтверждена экспериментально».

Квантовая космология страдает от проблемы начальных значений: для получения современной Вселенной её начальные условия должны быть заданы с точностью 10-79. Если начальные параметры квантовой космологической модели отклоняются на такую величину, то наша Вселенная давно должна или сжаться, или разлететься в холодную пустыню. Это заставило инфляционистов выдумать огромное количество вселенных (фигурируют числа 10500) — для получения хотя бы части миров с приемлемыми условиями для жизни.

Существующая феноменологическая космологическая модель хорошо описывает изотропную и плоскую Вселенную с помощью нескольких параметров, не конкретизируя, имеют ли они квантовую или классическую природу. Главным параметром является постоянная Хаббла — она не должна зависеть от расстояния, на котором её измеряют.

Группа нобелевского лауреата Адама Рисса недавно открыла зависимость постоянной Хаббла от расстояния. Изучение кластеров галактик показывало, что эта постоянная ещё и анизотропна, меняясь на 15% в зависимости от направления наблюдений. Обнаружен целый ряд других анизотропных космологических феноменов, которые выстраиваются вокруг некоторой оси во Вселенной (космологи называют её «дьявольская ось»). Ряд специалистов делают вывод о кризисе современной космологии, которая предполагает однородную и изотропную Вселенную. Данные новейшего космологического спутника «Планк» указывают на кривизну пространства, соответствующую замкнутой Вселенной, что противоречит инфляционной теории, настаивающей на плоской и разомкнутой Вселенной.

Инфляционная теория считает тёмную материю газом из массивных частиц, а тёмную энергию — свойством самого вакуума. Тёмная материя, тормозящая расширение Вселенной, и тёмная энергия, ускоряющая это разбегание, физически никак не связаны и должны по-разному зависеть от размера Вселенной: вакуум, естественно, будет сохранять свои свойства, а средняя плотность тёмной материи — быстро уменьшаться из-за роста объёма Вселенной. С момента возникновения реликтового излучения во Вселенной возрастом в 380 тысяч лет плотность тёмной материи упала в десятки триллионов раз и продолжает падать. Возникает проблема, которую физик Шон Кэррол назвал скандальным совпадением: почему в настоящее время влияние тёмной энергии всего в два раза больше влияния тёмной материи? Чтобы выкрутиться, космологи делают тёмную энергию зависящей от времени (гипотеза «квинтэссенции») и пытаются привязать её к тёмной материи, нагромождая всё более невероятные гипотезы. Кори Пауэлл саркастично описывает квантовую космологию так: «Неизвестные эффекты контролируют вакуумную энергию, неизвестные поля создают квинтэссенцию, неизвестные эффекты связывают квинтэссенцию с плотностью материи во Вселенной».

Теория инфляции страдает от целого ряда неразрешимых проблем, при этом ей не удалось сделать ни одного предсказания, которое однозначно доказывало бы справедливость инфляционной космологии. Инфляционисты обычно ссылаются на наблюдения спектра флуктуаций реликтового излучения и на плоскую геометрию Вселенной как на подтверждение своей концепции, но спектр флуктуаций согласуется и с другими теоретическими моделями, а плоская геометрия Вселенной ныне находится под вопросом.

В 2017 году разразилась знаменитая дискуссия: является ли инфляционная космология наукой? Сама постановка вопроса говорит о многом. Какую научную ценность имеют «сверхгибкие» модели с обилием свободных параметров, основанные на множестве гипотез? Инициаторы дискуссии Пол Стейнхардт, Абрахам Лоеб и Анна Иджас предложили вернуться к модели отскока Вселенной: «Учитывая все эти проблемы, перспектива того, что инфляции никогда не было, заслуживает серьёзного рассмотрения. Если мы сделаем шаг назад, то появятся две логические возможности. Либо у Вселенной было начало, которое мы обычно называем ”Большим взрывом”, либо не было начала, и то, что было названо Большим взрывом, на самом деле было ”большим отскоком”, переходом от некоторой предшествующей космологической фазы к нынешней фазе расширения».

Но теоретические споры не преодолеют колоссальную инерцию паровоза квантовой космологии, который, по мнению оппонентов, давно свернул не туда и много лет мчится по бесплодной пустыне. Как доказывает история науки, только новые наблюдения могут вправить теоретические вывихи. Квантовая космология похожа на теорию эфира, гипотетической светоносной среды, заполняющей всё пространство. Невзирая на необычные свойства мирового эфира, эта популярная в XIX веке теория была очень хорошо разработана многими теоретиками-корифеями — и получила смертельный удар лишь от эксперимента Майкельсона — Морли.

Ренессанс циклической космологии

В 2015 году детектор LIGO зафиксировал гравитационные волны, давно предсказанные теорией Эйнштейна. Они возникли от слияния чёрных дыр в 36 и 29 солнечных масс. Это открытие ещё раз убедительно подтвердило общую теорию относительности, которую многие космологи уже списали со счетов — не потому что они её опровергли, а потому, что она мешает строить квантово-воздушные замки.

К 2022 году зарегистрировано 90 вспышек гравитационного излучения. Данные LIGO показали, что во Вселенной неожиданно оказалось очень много чёрных дыр, которых даже хватает, чтобы играть роль тёмной материи. Но после Большого взрыва лишь 0,1% звёзд превратились в чёрные дыры. Откуда взялось количество дыр, нужное для тёмной материи?

Наблюдения показали, что в центрах галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры в миллионы и миллиарды масс Солнца, которые существовали уже в самой ранней Вселенной. Как чёрные дыры смогли так быстро набрать свою массу? Что появилось раньше: галактика, которая потом вырастила внутри себя центральную дыру, как устрица — жемчужину, или сверхмассивная дыра стала затравкой-кристаллом для роста галактики?

Для объяснения обилия чёрных дыр квантовые космологи обратились к гипотетическим квантовым флуктуациям, которые превращаются в чёрные дыры во время Большого взрыва. Эта идея обсуждается с 1960-х годов в трудах С. Хокинга, Я. Б. Зельдовича, И. Д. Новикова, А. Д. Долгова. Конечно, если ввести побольше воображаемых сущностей (новых полей, тёмных частиц или каких-нибудь инфлатонных пузырьков), то можно найти решение любой проблемы. Но такие гипотезы недолговечнее мыльных пузырей.

Может ли циклическая космология объяснить обилие разных чёрных дыр? В 2011 году британский физик Бернард Карр и его канадский коллега Алан Коли выдвинули смелую идею: часть чёрных дыр попадает к нам из предыдущего цикла Вселенной. Ведь чёрные дыры — неразрушимые объекты, которые могут, пройдя через огненную купель сжатой Вселенной, попасть в фазу нового расширения. Назовём дыры из прошлых циклов «реликтовыми» — в отличие от гипотетических «первичных» дыр, возникших при последнем Большом взрыве.

Вместе с доктором физико-математических наук Сергеем Тюльбашевым, астрономом Пущинской обсерватории, мы стали размышлять: как подтвердить расчётами идею Карра — Коли. Развитие циклической космологии привело к выводу, что минимальный размер сжатой Вселенной равен примерно десяти световым годам: в этих условиях температура достигает десяти миллиардов градусов и все ядра накопленных тяжёлых элементов под воздействием гамма-квантов распадаются на отдельные нуклоны (эффект фотодиссоциации), из которых будут созданы звёзды нового цикла*. Из макрообъектов такие условия выдерживают только чёрные дыры и, возможно, часть нейтронных звёзд. Сначала мы показали, что шар минимального объёма, в который можно упаковать все чёрные дыры Вселенной, имеет диаметр лишь в половину светового года. Это означает, что все дыры нашего мира способны уместиться в сжатой Вселенной, при этом процесс массового слияния чёрных дыр должен наступить как раз тогда, когда в коллапсирующей Вселенной будет достигнута температура фотодиссоциации тяжёлых ядер. Многозначительное совпадение!

Далее мы построили простую компьютерную модель, которая стартовала с начальной популяции чёрных дыр с одинаковыми массами и отслеживала эволюцию этой популяции в последующих космологических циклах. Например, при каждом сжатии Вселенной начальная популяция чёрных дыр сокращалась на 2—5% из-за слияний, а остальные 95—98% дыр переходили в следующий цикл. Одновременно чёрные дыры поглощали окружающую материю и увеличивали начальную индивидуальную массу, которая была принята в 5 масс Солнца. Такие чёрные дыры имеют радиус всего 15 км. Из-за малой площади поверхности они растут медленно: увеличение массы чёрной дыры от 5 до 100 масс Солнца требует сотни циклов Вселенной. Именно этот медленный рост и позволяет накопить столько дыр звёздных масс, что их хватает на тёмную материю!

В каждом космологическом цикле взрывы сверхновых порождают новые популяции чёрных дыр, поэтому тёмная материя состоит из смеси чёрных дыр, рождённых в сотнях предыдущих космологических циклов. Аналогия из демографии: нашу планету населяют люди разных годов рождения и общая численность популяции долгоживущих землян в десятки раз превосходит ежегодное количество новорождённых.

Крупные дыры с массой больше ста солнечных (и радиусом 300 км) растут в сотни раз быстрее. Модель эволюции дыр без труда объяснила обилие сверхмассивных чёрных дыр от 100 тысяч до нескольких миллиардов солнечных масс — именно таких, какие наблюдаются в центрах галактик. Эти дыры уже существовали в момент Большого взрыва: разлетаясь вместе с газом, они собирали вокруг себя галактики и становились квазарами — яркими объектами, чьё раннее появление было большой проблемой в одноразовой космологии.

Признаюсь, что разработанная модель эволюции чёрных дыр превзошла наши ожидания: она без колебаний выдавала такие логичные, но такие невероятные выводы, на которые человеку решиться было бы не просто. Но модель, если она претендует на статус правильной, должна не только объяснить пару сложных проблем, она должна, без дополнительных понуканий и гипотез, решить остальные загадки в области своего действия.

Модель эволюции чёрных дыр автоматически объяснила малозаметность популяции дыр промежуточной массы (от 100 до 100 тысяч солнечных масс): из-за повышенной скорости эволюции таких дыр накапливается гораздо меньше, чем дыр звёздных масс, при этом по индивидуальной массе промежуточные дыры теряются на фоне сверхмассивных чёрных дыр.

Если Вселенная периодична, то все её компоненты должны циклически меняться внутри одного цикла, одновременно сохраняя примерную стационарность на временах больше цикла. Но как быть с самой большой чёрной дырой, образующейся при коллапсе мира? На её существование указывал нобелевский лауреат Роджер Пенроуз. Нельзя достичь стационарности популяции чёрных дыр, не избавившись от этой огромной дыры.

В 70-х годах прошлого века Я. Д. Бекенштейн и С. Хокинг показали, что чёрные дыры обладают огромной энтропией, пропорциональной площади их поверхности. Практически вся энтропия Вселенной содержится в сверхмассивных чёрных дырах, энтропия которых на пятнадцать порядков превосходит энтропию всех барионов, фотонов и нейтрино. Энтропия самой большой дыры, возникающей при сжатии Вселенной, в свою очередь, на много порядков превосходит суммарную энтропию остальных дыр. Поэтому проблема роста энтропии Вселенной тесно связана с судьбой этой большой дыры. Как же избавиться от неё?

Задача об уничтожении в принципе неуничтожимого объекта выглядит нерешаемой. Но природа умеет преодолевать трудности, которые нам кажутся неразрешимыми. Сила правильной модели в том, что теоретику, вставшему на верную дорогу, не надо ломать голову над хитроумными схемами решения проблем. Надо запустить (мысленно) правильную модель и посмотреть — как она сама решает головоломку, которая не имеет решения.

Большая чёрная дыра, благодаря огромной площади своей поверхности, растёт быстрее всех других дыр, поглощая не только фотоны, барионы и более мелкие дыры, но и гравитационное излучение. Начальный размер большой дыры должен быть около светового года, а со временем она вырастает до миллиардов световых лет. Что будет, если эта большая чёрная дыра догонит нашу Галактику и проглотит её? Распространённое мнение о чёрных дырах как сверхплотных телах, которые разрывают падающие объекты в спагетти, верно только для чёрных дыр звёздных масс. Чем крупнее дыры, тем меньше их плотность, поэтому граница очень большой дыры совершенно безопасна для проглатываемых объектов. Плотность чёрной дыры размером с Вселенную близка к современной плотности вещества в космическом вакууме и сопоставима с десятком атомов водорода на кубометр.

Поглощение всех галактик растущей чёрной дырой не становится мировой катастрофой, а, наоборот, открывает дорогу к стационарности распределения чёрных дыр по размерам, ведь в каждом космологическом цикле самая большая дыра исчезает из спектра масс наблюдаемых чёрных дыр! Падая внутрь чёрной дыры, мы переходим в пространство, в котором самая большая дыра, поверхность которой уходит на горизонт мира, становится невидимой и неощутимой. Рецепт избавления от «неуничтожимой» большой дыры заставляет вспомнить легенду о писателе Мопассане, который ненавидел «уродливую» Эйфелеву башню, но каждый день обедал в ресторане, расположенном в ней, — ведь это единственное место в Париже, откуда башня была не видна.

Энтропия и температура чёрных дыр определены только для наружных наблюдателей, их не существует для внутренних обитателей дыры. Попадая внутрь большой чёрной дыры, наша Галактика оказывается в мире, энтропия которого на два десятка порядков меньше энтропии Вселенной на стадии разлёта. Скачкообразное уменьшение энтропии при падении в чёрную дыру — это не просто формальный трюк. Оно очевидно проявляется на динамике вещества и излучения: если при разлёте Вселенной плотность вещества падала, как и температура излучения, то после попадания внутрь большой чёрной дыры плотность вещества начинает расти, как и температура излучения, а красное смещение галактик меняется на синее. Большая дыра, поглотив всю материю, останавливается в своём росте, а ранее разлетавшиеся галактики, сменив в момент поглощения направление своего движения, падают к центру Вселенной.

Предположение о поглощении галактик большой чёрной дырой снимает и проблему бесконечного роста энтропии в циклической космологии: новый цикл начинается с низкого уровня энтропии, который открывает новые возможности для самоорганизации Вселенной. Второй закон термодинамики при этом не нарушается, потому что падение энтропии реализуется только для внутренней, наблюдаемой части Вселенной. С точки зрения внешнего наблюдателя, учитывающего энтропию большой дыры, глобальная энтропия мира растёт (или, как минимум, не падает), но практически ненаблюдаемая изнутри внешняя граница мира, которая уносит с собой груз нашей энтропии, нас, обитателей чёрной дыры, не должна волновать.

Решение одним махом сразу двух проблем — избавление от большой чёрной дыры и от неограниченного роста энтропии — указывает, что мы на верном пути. Поглощение галактик большой дырой автоматически решает ещё одну проблему: механизма смены расширения Вселенной на сжатие. Осознание ведущей роли чёрных дыр в динамике Вселенной стало ключом для элегантных и неожиданных решений давних и трудных проблем циклической космологии.

Ранние галактики как наблюдательное подтверждение циклической космологии

Правильная модель должна не только объяснять все известные проблемы, но и делать верные предсказания, которые может давать только она и никакая другая теория.

Сторонники одноразовой Вселенной обычно рассматривают рост галактик как постепенный процесс, начинающийся с формирования облаков из частиц тёмной материи. Эти облака гипотетических частиц захватывают водород, из которого рождаются небольшие галактики. Со временем мелкие галактики сливаются, образуя всё более крупные структуры, поэтому этот сценарий формирования галактик называется иерархическим. Из него следуют такие предсказания: на формирование первых галактик и центральных дыр в них требуются многие сотни миллионов лет; первые галактики были мелкие и бесформенные, но со временем размер галактик увеличивался и среди них становилось всё больше спиральных и эллиптических.

Данные телескопа «Хаббл» подтверждали лишь второе предсказание, а первому утверждению стали противоречить неожиданные открытия ранних квазаров, источником энергии которых являются центральные сверхмассивные дыры.


002_4.jpg

Циклическая эволюция: радиуса пульсирующей Вселенной (а), галактик и размера большой чёрной дыры (б) и энтропии наблюдаемой части Вселенной (в). В качестве начала цикла берётся не Большой взрыв, а поглощение поля галактик растущей большой чёрной дырой, из-за чего энтропия наблюдаемой Вселенной падает на много порядков. Чёрные дыры, растущие в сжимающейся Вселенной, увеличивают энтропию мира. При максимальном сжатии (перед моментом Большого взрыва) энтропия растёт скачком из-за образования начальной большой дыры. Рост чёрных дыр, включая большую дыру, в расширяющейся Вселенной снова увеличивает глобальную энтропию.

С точки зрения циклической космологии, сверхмассивные дыры существовали с самого начала расширения Вселенной, и именно они стали затравками для роста галактик. Плотность водорода быстро падала с ростом объёма Вселенной, поэтому первые галактики возникли вокруг чёрных дыр в течение нескольких миллионов лет, что привело к раннему появлению квазаров и галактик современного вида. Дружное образование галактик даёт возможность объяснения загадочных соотношений вроде закона Талли — Фишера, который связывает массу галактик со скоростью вращения их краёв (M ∝ V4), противореча закону Кеплера (M = V2R/G). Автору в статье 2022 года в журнале «Galaxies»** удалось показать, что в ранней Вселенной галактики испытывали со стороны окружающей плотной среды возмущение f ~ 10-8 см/с2. Следовательно, граница сферы тяготения отдельных галактик задавалась законом Ньютона: GM/R2 = f, что в соединении с законом Кеплера и вызвало необычное соотношение между массами галактик и периферийной скоростью их вращения: M = V4/fG.

002_5.jpg

Эволюция при Большом сжатии и Большом взрыве: ядер тяжёлых элементов и реликтовых электромагнитных волн (а), чёрных дыр и реликтового гравитационного излучения (б). При сжатии тяжёлые ядра распадаются на барионы, а также образуется самая большая чёрная дыра. Рисунки Николая Горькавого.

Первые фото с нового телескопа «Джеймс Уэбб», гораздо более чувствительного к далёким галактикам, были опубликованы летом 2022 года. Они показали, что процент сферических и спиральных галактик не падает с расстоянием, как следовало из данных телескопа «Хаббл», который просто не мог различить форму далёких галактик. «Уэбб» увидел много массивных галактик современного вида — уже на ранних этапах расширения Вселенной. Это вызвало в астрономическом сообществе буквально панику (что отразилось даже в заголовках научных статей!). С точки же зрения циклической космологии, телескоп «Уэбб» лишь подтвердил предсказание о раннем образовании галактик вокруг реликтовых сверхмассивных дыр, пришедших из прошлого цикла Вселенной.

Реликтовое гравитационное излучение из огненного сердца Вселенной

Чёрные дыры звёздных масс (до 100 масс Солнца) составляют более 99.9999% тёмной материи — остальная её часть представлена немногочисленными более массивными чёрными дырами. Обсерватория LIGO улавливает редкие современные слияния дыр звёздных масс, порождающие гравитационные волны с частотой в сотню герц. В момент максимального сжатия Вселенной происходило массовое слияние таких чёрных дыр, что порождало мощную вспышку гравитационного излучения с той же частотой около ста герц. Любое излучение, возникшее на ранних космологических стадиях, испытывает красное смещение: увеличение длины волны, примерно пропорциональное увеличению диаметра Вселенной. Минимальный размер Вселенной составлял десяток световых лет; сейчас её размер близок к ста миллиардам световых лет, отчего длина волны реликтового гравитационного излучения испытала красное смещение на 10 порядков. Следовательно, волны с частотой в 102 герц, возникшие при Большом сжатии, к настоящему времени превратились в волны с частотой ~ 10-8 герц, то есть в волны с периодом колебаний около 3 лет.

Гравитационное излучение, возникающее при коллапсе Вселенной, должно переходить из цикла в цикл, увеличивая свою суммарную энергию и создавая фон реликтовых гравитационных волн. Вокруг нас должна существовать не только смесь чёрных дыр из сотен космологических циклов, но и фон гравитационных волн разных возрастов. Как обнаружить эти волны?

Миллисекундные пульсары, вращающиеся со скоростью 100—700 оборотов в секунду, являются точными «космическими часами» и, как показал московский астрофизик Михаил Сажин ещё в 1978 году, могут использоваться для поиска сверхдлинных гравитационных волн, которые искривляют пространство и время, тем самым искажают частоту пульсарных радиосигналов, проходя между пульсарами и Землёй. Консорциум NANOGrav из пяти крупных радиотелескопов в сентябре 2020 года объявил об открытии наногерцовых гравитационных волн с периодом колебаний от 2 до 10 лет. В 2021 году этот результат подтвердили независимые данные австралийского радиотелескопа.

Для объяснения фона наногерцовых гравитационных волн был выдвинут ряд гипотез, например о гравитационном излучении от ближайших двойных сверхмассивных дыр. А квантовые космологи снова вспомнили о флуктуациях квантовых полей, лопающихся гигантских космических струнах и разрушениях стенок гипотетических фазовых переходов.

С точки зрения циклической космологии, обнаружение фона гравитационных волн наногерцового диапазона подтверждает предсказание о мощном излучении, возникающем из-за массового слияния чёрных дыр при коллапсе Вселенной. Наногерцовые волны являются реликтовым гравитационным излучением, аналогичным реликтовому электромагнитному излучению. Если последнее характеризует Вселенную возрастом в 380 тысяч лет, то реликтовые гравитационные волны — это окно в самое сердце Большого взрыва и даже в прошлые циклы Вселенной.

Чем меньше масса и размер сливающихся дыр, тем выше частота их финального вращения вокруг центра тяжести и частота возникающих гравитационных волн. Чёрные дыры, которые рождаются при взрыве сверхновых звёзд, имеют массы более 4—5 масс Солнца. Отсутствие меньших чёрных дыр — хорошо установленный наблюдательный факт, который подтверждается данными детектора LIGO. Можно взять популяцию чёрных дыр, наблюдаемых LIGO, и на её основе построить простую модель генерации реликтовых гравитационных волн, из которой вытекает конкретное предсказание: амплитуда гравитационных волн будет плавно меняться на периодах от 10 лет до 1 года, а затем она резко уменьшится для волн с периодом меньше года — из-за малого количества астрофизических чёрных дыр с массами менее 4 масс Солнца. Все альтернативные гипотезы приводят к плавному, без указанного уменьшения, спектру гравитационных волн в этой области. Если такой дефицит гравитационных волн с периодом меньше года будет подтверждён, это станет неоспоримым доказательством пульсирующей Вселенной***.

***

Принципиальное устройство циклической Вселенной прояснилось, но движущая пружина «мировых часов» пока непонятна. Остались следующие главные вопросы. В чём причина Большого взрыва? Как избежать гравитационной сингулярности при переходе от сжатия Вселенной к её расширению? Чем обусловлено современное ускорение Вселенной (проблема тёмной энергии)?

Если мы хотим оставаться в поле надёжной науки, то рассмотрение этих проблем может вестись только в рамках фундаментальной общей теории относительности. Оказывается, у знаменитой теории гравитации Эйнштейна есть своя тёмная сторона, где и кроется ключ к загадке Большого взрыва.

(Продолжение темы в следующем номере)


Дополнение к статье

Цвета космических температур

Температура электромагнитного излучения соответствует температуре тела (если точнее — чёрного тела), которое испускает такое излучение. От температуры тела зависит длина волны (или цвет) излучения. Например, Солнце имеет температуру около 6000 K и светит жёлтым светом. В двойной звёздной системе KOI-256, состоящей из двух карликов, у белого температура 7000 К, а у красного около 3000 К. Тепловое излучение млекопитающих имеет температуру около 300 K, а температура реликтового излучения в 3 K соответствует тепловому излучению колбы с жидким гелием. Астрономы хорошо знают, что свет, пришедший из далёких галактик (то есть из далёкого прошлого), за прошедшие миллиарды лет значительно увеличил свою длину волны или уменьшил температуру. Реликтовое излучение, родившееся, когда Вселенной было всего 380 тысяч лет, к настоящему времени уменьшило свою температуру в тысячу раз, превратившись из горячего красного света в микроволновое излучение — ледяное дыхание Большого взрыва.

002_6.jpg

Художественное изображение двойной звёздной системы KOI-256 из белого и красного карликов. Рисунок: NASA/JPL-Caltech.


Словарик к статье

Изотропность и однородность Вселенной. Самые простые модели Вселенной предполагают, что она изотропна (то есть её наблюдаемые характеристики одинаковы во всех направлениях) и однородна (параметры одинаковы во всех точках пространства). Реальная Вселенная имеет целый набор пространственных неоднородностей — от звёзд и планет до галактик и их скоплений. Наблюдатели также обнаруживают неоднородности и анизотропию в глобальном масштабе, что требует построения более сложных и современных космологических моделей.

Плоская и замкнутая Вселенная — варианты Вселенной с разной геометрией в космологии Фридмана. Плоская геометрия означает, что кривизна глобального пространства-времени Вселенной равна нулю, а сама Вселенная будет расширяться вечно. Замкнутая Вселенная имеет искривлённое пространство-время, которое соответствует сфере. Например, сумма внутренних углов треугольника в таком пространстве будет не 180 градусов, как в плоском случае, а больше. Понять это можно, нарисовав треугольник на поверхности глобуса. Если одну вершину тре-угольника расположить на Северном полюсе, а две остальные — на экваторе с разницей долгот в 90 градусов, то каждый внутренний угол такого треугольника будет равен прямому углу, а сумма углов составит 270 градусов. Большой взрыв в замкнутой Вселенной вызывает только временное разбегание галактик, которое будет ограничено максимальным радиусом Вселенной.

Энтропия — величина, характеризующая нарастающую хаотичность системы или степень бесполезности её энергии. Энергия однородной системы, энтропия которой максимальна, бесплодна и не может порождать высокоорганизованные, например биологические, структуры. Неоднородные системы с тем же уровнем энергии, но с меньшей энтропией, наоборот, способны к самоорганизации и появлению сложных структур. Гравитация привносит новые возможности для самоорганизации даже однородных систем, поэтому энтропия гравитирующих сред принципиально отличается от энтропии негравитирующих систем.

Энтропия чёрной дыры включает энтропию всего вещества и излучения, проглоченного чёрной дырой. Энтропия поглощённой материи не может исчезать, и её характеристикой выступает поверхность чёрной дыры, которая, как и классическая энтропия, никогда не уменьшается. Чем крупнее чёрная дыра, тем больше её энтропия, пропорциональная площади или квадрату радиуса дыры.

Ссылки к статье

* Горькавый Н. Н., Тюльбашев С. А. Чёрные дыры и нейтронные звёзды в осциллирующей Вселенной // Астрофизический бюллетень, 2021, т. 76, № 3, с. 285—305.

** Gorkavyi N. Accretion of Galaxies around Supermassive Black Holes and a Theoretical Model of the Tully-Fisher and M-Sigma Relations // Galaxies, 2022, 10: 73.

*** Gorkavyi N. Gravitational wave background discovered by NANOGrav as evidence of a cyclic universe // New Astronomy, 2022; 91: 101698.

Горькавый Н., Березин А. Пульсирующая Вселенная. 2023 (в печати).

Другие статьи из рубрики «Наука. Дальний поиск»

Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie на вашем устройстве. Подробнее