|
Может ли темная материя образоваться из черных дыр
|
|
|
|
Новое исследование предполагает, что реликтовые черные дыры, образовавшиеся до большого взрыва, могут до сих пор формировать галактики. Эти черные дыры могут объяснить темную материю, один из самых больших нерешенных вопросов в космологии.
|
|
|
|
Вообще говоря, черные дыры - это области пространства-времени, где материя сжата в крошечное пространство. Темная материя, между тем, - это материя, которая не отражает и не поглощает свет. Мы знаем, что она существует из-за ее гравитационного влияния на галактики и другие космические структуры.
|
|
|
|
Ее можно рассматривать как "клей", который удерживает галактики вместе, но мы не знаем, из чего она состоит на фундаментальном уровне. Большинство физиков считают, что темная материя состоит из пока еще не открытых субатомных частиц.
|
|
|
|
Но древние черные дыры, существовавшие до большого взрыва, также отвечают всем требованиям. Они темные, но при этом обладают массой — именно теми свойствами, которые требуются.
|
|
|
|
Я исследовал эту идею в новой статье. Конечно, идея реликтовых черных дыр также требует переосмысления самого большого взрыва.
|
|
|
|
В течение почти столетия космологи прослеживали историю Вселенной вплоть до этого единственного драматического момента. Но, возможно, это не было абсолютным началом отсчета времени. Возможно, вселенная существовала и до большого взрыва.
|
|
|
|
|
|
|
Согласно этому сценарию, вселенная сжалась, прежде чем начать расширяться. Большой взрыв представляет собой переход между двумя фазами.
|
|
|
|
Модель большого взрыва оказалась на удивление успешной. Она объясняет космический микроволновый фон — остаточное свечение ранней Вселенной — и с поразительной точностью предсказывает крупномасштабное распределение галактик.
|
|
|
|
Но в общей теории относительности Эйнштейна это также сингулярность — точка, в которой плотность становится бесконечной и нарушаются известные законы физики.
|
|
|
|
Многие физики интерпретируют это не как физическую реальность, а как признак того, что чего-то не хватает. Сингулярности не столько похожи на физические объекты, сколько на математические предупреждения: они говорят нам о том, что наши современные теории не могут описать самые ранние моменты Вселенной.
|
|
Отскок, а не взрыв
|
|
|
|
Одна из альтернатив - это космология "скачка". На этой картине Вселенная проходит фазу сжатия перед большим взрывом, достигая чрезвычайно высокой, но конечной плотности. Вместо того, чтобы сжаться в сингулярность, она восстанавливается, начиная новую фазу расширения.
|
|
|
|
Модели отскока изучались десятилетиями, часто требуя внесения изменений в гравитацию или создания новых экзотических компонентов. Но наша работа показывает, что отскок может возникнуть как обычное решение в рамках стандартной физики, когда гравитация и эффекты квантовой механики — законы, управляющие природой в мельчайших масштабах — последовательно принимаются во внимание.
|
|
|
|
В стандартной космологии за большим взрывом быстро следует период, когда ранняя Вселенная переживает период быстрого и экспоненциального расширения. Эта стадия, известная как инфляция, эффективно стирает все следы более ранних структур.
|
|
|
|
В случае прыгающей Вселенной ситуация иная. В нашей работе мы обнаружили, что объекты размером более 90 метров могли пережить переход от коллапса к расширению. В результате остаются "реликты", несущие информацию о предыдущей космической эпохе. Эти реликты могут включать в себя черные дыры, гравитационные волны и флуктуации плотности.
|
|
|
|
Квантовая физика содержит мощный ключ к пониманию того, как это возможно. Согласно принципу исключения Паули — краеугольному камню квантовой теории — материя становится "вырожденной" при чрезвычайно высоких плотностях. Материя создает давление, которое сопротивляется дальнейшему сжатию даже в отсутствие тепла.
|
|
|
|
В нашей модели аналогичный эффект проявляется в космологических масштабах. Это может объяснить, почему Вселенная не коллапсирует полностью и почему структуры, сформированные до или во время отскока, могут сохраниться в фазе расширения.
|
|
|
|
Как пережить апокалипсис
|
|
|
|
Мы выявили два основных пути, по которым могут возникать реликтовые черные дыры.
|
|
|
|
Первый из них - это прямое выживание. Компактные объекты и возмущения (колебания плотности или гравитации), возникшие во время фазы коллапса Вселенной, могут сохраняться и во время отскока.
|
|
|
|
Второй путь еще более интригующий. Во время сжатия материя естественным образом скапливается 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, находящиеся в фазе сжатия, эффективно коллапсируют в черные дыры, стирая большую часть своей структуры, но сохраняя массу.
|
|
|
|
Могут ли эти черные дыры быть темной материей? На протяжении десятилетий основным кандидатом была элементарная частица, но ни одна из них не была обнаружена, несмотря на интенсивные поиски.
|
|
|
|
Реликтовые черные дыры представляют собой привлекательную альтернативу. Если их образуется достаточное количество, они могут составлять значительную — возможно, доминирующую — долю темной материи.
|
|
|
|
Эта идея также может быть связана с одной из самых интригующих загадок наблюдений последних лет.
|
|
|
|
Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) обнаружил скопление компактных, чрезвычайно красных объектов в ранней Вселенной, которые иногда называют "маленькими красными точками". Эти астрономические источники оказались неожиданно массивными и светящимися всего через несколько сотен миллионов лет после большого взрыва.
|
|
|
|
Многие астрономы подозревают, что они связаны с быстро растущими черными дырами — возможно, зародышами сверхмассивных черных дыр, обнаруживаемых 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 массивные зародыши уже существовали сразу после взрыва, ранней Вселенной не нужно было бы начинать с нуля. Сверхмассивные черные дыры могли бы образоваться из остатков древних объектов, а не из вновь образовавшихся объектов.
|
|
|
|
В этом смысле, JWST, возможно, уже видит следы реликтов, существовавших до отскока.
|
|
Новая космологическая концепция
|
|
|
|
В совокупности сценарий отскока предлагает единый способ решения нескольких давних проблем в космологии.
|
|
|
|
- Сингулярность большого взрыва сменяется квантовым переходом. Этот переход может быть связан с концепцией "моста Эйнштейна–Розена": математической связью между двумя разрозненными областями пространства-времени.
|
|
- Инфляция естественным образом возникает из динамики вблизи скачка.
|
|
- Темная энергия может быть связана с глобальной структурой конечной Вселенной.
|
|
- Темная материя может состоять из реликтовых черных дыр — возможно, наша собственная вселенная начиналась как одна из них.
|
|
- Гравитационные волны могут нести сигналы из предыдущей космической фазы.
|
|
- Согласно недавним наблюдениям JWST, сверхмассивные черные дыры могут иметь древнее происхождение.
|
|
|
|
Многое еще предстоит сделать. Эти идеи должны быть проверены на основе данных — от гравитационно-волнового фона до обзоров галактик и точных измерений космического микроволнового фона.
|
|
|
|
Но вероятность этого велика: вселенная, возможно, возникла не однажды, а, возможно, возникла заново. А темные структуры, формирующие галактики сегодня, могут быть реликтами времен, предшествовавших большому взрыву.
|
|
|
|
Источник
|
