Может ли темная материя состоять из черных дыр из другой вселенной?

Вселенная могла возникнуть не единожды, а многократно

Новое исследование предполагает, что реликтовые черные дыры, существовавшие до Большого взрыва, до сих пор влияют на формирование галактик. Эти черные дыры могут объяснить существование темной материи — один из самых больших нерешенных вопросов в космологии.

В общем смысле черные дыры — это области пространства-времени, в которых материя сжата до крошечных размеров. Темная материя, в свою очередь, — это материя, которая не отражает и не поглощает свет. Мы знаем о ее существовании благодаря ее гравитационному влиянию на галактики и другие космические структуры.

Темную материю можно рассматривать как «клей», который скрепляет галактики, но мы не знаем, из чего она 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, тоже подходят под это описание. Они темные, но при этом обладают массой — именно те свойства, которые нам нужны.

Ученые высказывают идея о реликтовых черных дырах и это требует переосмысления самой концепции Большого взрыва. На протяжении почти целого столетия космологи связывали историю Вселенной с этим единственным драматическим моментом. Но, возможно, это был не абсолютный исток времен. Возможно, до Большого взрыва существовала Вселенная.

Согласно этому сценарию, Вселенная сначала сжалась, а затем начала расширяться. Большой взрыв представляет собой переход между этими двумя фазами. Модель Большого взрыва оказалась чрезвычайно успешной. Она объясняет существование космического микроволнового фона — остаточного излучения 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 известные законы физики перестают действовать.

Многие физики считают, что сингулярность — это не физическая реальность, а признак того, что чего-то не хватает. Сингулярности — это не столько физические объекты, сколько математические предупреждения: они говорят нам о том, что наши нынешние теории не могут описать самые ранние моменты существования Вселенной.

Отскок, а не взрыв

Одна из альтернатив — отскакивающая космология. Согласно этой теории, перед Большим взрывом Вселенная проходит фазу сжатия, достигая чрезвычайно высокой, но конечной плотности. Вместо того чтобы схлопнуться в сингулярность, она отталкивается от нее, начиная новую фазу расширения.

Модели с отскоком изучались на протяжении десятилетий, и зачастую для их реализации требовались модификации гравитации или новые экзотические составляющие. Но отскок может быть обычным решением в рамках стандартной физики, если последовательно учитывать гравитацию и эффекты квантовой механики — законы, управляющие природой на мельчайших масштабах.

В стандартной космологической модели за Большим взрывом быстро следует период, когда ранняя Вселенная переживает стремительное экспоненциальное расширение. Этот этап, известный как инфляция, фактически стирает все следы более ранних структур.

В пульсирующей Вселенной ситуация иная. Объекты размером более 90 метров могли пережить переход от сжатия к расширению. В результате остаются «реликты», несущие информацию о предыдущей космической эпохе. К таким реликтам могут относиться черные дыры, гравитационные волны и флуктуации плотности.

Квантовая физика дает нам ключ к пониманию того, как это возможно. Согласно принципу запрета Паули — краеугольному камню квантовой теории — при чрезвычайно высокой плотности материя становится «вырожденной». Материя создает давление, которое препятствует дальнейшему сжатию даже при отсутствии тепла.

В модели аналогичный эффект наблюдается на космологических масштабах. Это может объяснить, почему Вселенная не коллапсирует полностью и почему структуры, сформировавшиеся до или во время отскока, могут сохраниться в фазе расширения.

Как пережить апокалипсис

Ученые выделили два основных пути возникновения реликтовых черных дыр.

• Первый — это прямое выживание. Компактные объекты и возмущения (флуктуации плотности или гравитации), возникшие на этапе коллапса Вселенной, могут сохраниться после отскока;

• Второй сценарий еще более интригующий. Во время сжатия материя естественным образом уплотняется под действием гравитации, образуя структуры, похожие на гало, в которых сегодня находятся галактики. После отскока они могут эффективно сжиматься, превращаясь в черные дыры.

Галактики и звезды на этапе сжатия фактически коллапсируют в черные дыры, теряя большую часть своей структуры, но сохраняя массу. Могут ли эти черные дыры быть темной материей? На протяжении десятилетий главным кандидатом считалась фундаментальная частица, но, несмотря на тщательные поиски, она так и не была обнаружена.

Реликвенные черные дыры — вполне убедительная альтернатива. Если в результате отскока их образуется достаточно много, они могут составлять значительную — возможно, преобладающую — долю темной материи. Эта идея также может быть связана с одной из самых интригующих загадок, возникших в ходе наблюдений в последние годы.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» обнаружил в ранней Вселенной множество компактных чрезвычайно красных объектов, которые иногда называют «маленькими красными точками». Эти астрономические объекты оказались неожиданно массивными и яркими всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва.

Многие астрономы предполагают, что они связаны с быстро растущими черными дырами — возможно, с теми, что являются прародителями сверхмассивных черных дыр, обнаруженных сегодня в центрах галактик. Но их существование трудно объяснить в рамках стандартной космологии. Как могли так быстро сформироваться столь массивные объекты?

Реликты черных дыр — вполне естественное объяснение. Если бы массивные зародыши уже существовали сразу после Большого взрыва, ранней Вселенной не пришлось бы начинать с нуля. Сверхмассивные черные дыры могли бы образоваться из древних объектов, а не из вновь сформированных.

В этом смысле «Джеймс Уэбб» уже может наблюдать потомков реликтовых частиц, существовавших до Большого взрыва.

Новая космологическая концепция

В совокупности сценарий отскока предлагает единый подход к решению нескольких давних проблем космологии.

• На смену сингулярности Большого взрыва приходит квантовый переход. Этот переход может быть связан с концепцией «моста Эйнштейна — Розена»: математической связью между двумя разрозненными областями пространства-времени.

• Инфляция естественным образом возникает в результате динамики вблизи отскока.

• Темная энергия может быть связана с глобальной структурой конечной Вселенной.

• Темная материя может состоять из реликтовых черных дыр — возможно, наша Вселенная зародилась как одна из них.

• Гравитационные волны могут нести в себе сигналы о предыдущей космической фазе.

• Сверхмассивные черные дыры могут иметь древнее происхождение, что согласуется с недавними наблюдениями космического телескопа «Джеймс Уэбб».

Предстоит проделать еще много работы. Эти идеи необходимо проверить на основе данных — от гравитационно-волнового фона до обзоров галактик и точных измерений космического микроволнового фона.

Но такая возможность вполне реальна: Вселенная могла возникнуть не единожды, а многократно. А темные структуры, формирующие современные галактики, могут быть остатками времен, предшествовавших Большому взрыву.

На протяжении десятилетий движение звезд вблизи центра нашей галактики Млечный Путь считалось одним из самых убедительных доказательств существования сверхмассивной черной дыры. Однако ученые предполагают, что те же движения звезд могут быть вызваны совершенно другой силой.