Нові дослідження припускають, що реліктові чорні діри з часів до Великого вибуху можуть досі формувати галактики. Ці чорні діри можуть пояснити темну матерію, одну з найбільших нерозгаданих загадок космології.

Ілюстрація великої чорної діри з темним колом, оточеним світлими дисками

Загалом, чорні діри — це області простору-часу, де матерія стиснута в крихітний об'єм. Темна матерія, в свою чергу, є матерією, яка не відбиває і не поглинає світло. Ми знаємо про її існування завдяки її гравітаційному впливу на галактики та інші космічні структури.

Темна матерія може розглядатися як "клей", що тримає галактики разом, але ми не знаємо, з чого вона складається на фундаментальному рівні. Більшість фізиків вважають, що темна матерія складається з ще не відкритої субатомної частинки.

Але стародавні чорні діри з часів до Великого вибуху також підходять під це визначення. Вони темні, але також мають масу — саме ті властивості, які потрібні.

Я досліджував цю ідею у новій статті. Звичайно, ідея реліктових чорних дір також вимагає переосмислення самого Великого вибуху.

Протягом майже століття космологи простежували історію всесвіту до цього єдиного, драматичного моменту. Але, можливо, це не було абсолютним початком часу. Можливо, існував всесвіт до Великого вибуху.

У цьому сценарії всесвіт колапсував перед тим, як розпочати розширення. Великий вибух представляє перехід між двома фазами.

Модель Великого вибуху була надзвичайно успішною. Вона пояснює космічний мікрохвильовий фон — післясвітло раннього всесвіту — і передбачає великомасштабний розподіл галактик з вражаючою точністю.

Але в теорії загальної відносності Ейнштейна це також є сингулярністю — точкою, де щільність стає безмежною, і відомі закони фізики перестають діяти.

Відскок, а не вибух

Однією з альтернатив є космологія відскоку. У цій картині всесвіт проходить фазу стиснення перед Великим вибухом, досягаючи надзвичайно високої — але скінченної — щільності. Замість того, щоб колапсувати в сингулярність, він відскакує, починаючи нову фазу розширення.

Моделі відскоку досліджувалися десятиліттями, часто вимагаючи модифікацій гравітації або екзотичних нових складових. Але наша робота показує, що відскок може виникати як звичайне рішення в рамках стандартної фізики, коли гравітація та ефекти квантової механіки — закони, що регулюють природу на найменших масштабах — беруться до уваги.

У стандартній космології великий вибух швидко супроводжується періодом, коли ранній всесвіт проходить через стадію швидкого та експоненціального розширення. Ця стадія, відома як інфляція, ефективно стирає всі сліди попередніх структур.

Ситуація інша для всесвіту, що відскакує. У нашій роботі ми виявили, що об'єкти більші за 90 метрів могли вижити перехід від колапсу до розширення.

Це залишає "релікти", які несуть інформацію з попередньої космічної епохи. Ці релікти можуть включати чорні діри, гравітаційні хвилі та коливання щільності.

Квантова фізика містить потужну підказку про те, як це можливо. Згідно з принципом виключення Паулі — основоположним принципом квантової теорії — матерія стає "дегеративною" при надзвичайно високих щільностях. Матерія генерує тиск, який протистоїть подальшому стисненню навіть за відсутності тепла.

У нашій моделі подібний ефект діє на космологічних масштабах. Це може пояснити, чому всесвіт не колапсує повністю — і чому структури, що сформувалися до або під час відскоку, можуть вижити в фазі розширення.

Виживання апокаліпсису

Ми визначаємо два основні шляхи, через які можуть виникати реліктові чорні діри.

Перший — це пряме виживання. Компактні об'єкти та пертурбації (коливання в щільності або гравітації), що виникають під час фази колапсу всесвіту, можуть зберігатися через відскок.

Другий шлях ще більш інтригуючий. Під час стиснення матерія природно скупчується під дією гравітації, формуючи структури, подібні до гало, які сьогодні містять галактики. Після відскоку вони можуть ефективно колапсувати в чорні діри.

Галактики та зірки з фази стиснення ефективно колапсують у чорні діри, стираючи більшість їхньої детальної структури, але зберігаючи їхню масу.

Чи можуть ці чорні діри бути темною матерією? Протягом десятиліть провідним кандидатом була фундаментальна частинка — але жодна не була виявлена, незважаючи на численні пошуки.

Реліктові чорні діри пропонують переконливу альтернативу. Якщо відскок виробляє достатню кількість з них, вони можуть становити значну — можливо, домінуючу — частину темної матерії.

Ця ідея також може бути пов'язана з однією з найцікавіших спостережуваних загадок останніх років.

Телескоп Джеймса Вебба (JWST) виявив популяцію компактних, надзвичайно червоних об'єктів у ранньому всесвіті, іноді називаних "маленькими червоними крапками". Ці астрономічні джерела, здається, є несподівано масивними та яскравими всього через кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху.

Багато астрономів підозрюють, що вони пов'язані з швидко зростаючими чорними дірами — можливо, насінням надмасивних чорних дір, які сьогодні знаходяться в центрах галактик. Але їхнє існування важко пояснити в рамках стандартної космології. Як могли такі масивні об'єкти утворитися так швидко?

Реліктові чорні діри забезпечують природне пояснення. Якщо масивні насіння вже існували відразу після відскоку, ранньому всесвіту не потрібно було починати з нуля. Надмасивні чорні діри могли зростати з давніх виживших об'єктів, а не з новоутворених.

У цьому сенсі JWST, можливо, вже бачить нащадків реліктових об'єктів до відскоку.

Нова космологічна структура

Разом узяті, сценарії відскоку пропонують єдиний спосіб вирішення кількох давніх проблем у космології.

  • Сингулярність великого вибуху замінюється квантовим переходом. Цей перехід може бути пов'язаний з концепцією "мосту Ейнштейна-Розена": математичним зв'язком між двома різними регіонами простору-часу.
  • Інфляція виникає природно з динаміки поблизу відскоку.
  • Темна енергія може бути пов'язана з глобальною структурою скінченного всесвіту.
  • Темна матерія може складатися з реліктових чорних дір — можливо, наш власний всесвіт почався як одна.
  • Гравітаційні хвилі можуть нести сигнали з попередньої космічної фази.
  • Надмасивні чорні діри можуть мати давнє походження, що відповідає недавнім спостереженням JWST.

Багато роботи ще попереду. Ці ідеї потрібно перевірити на даних — від фонових гравітаційних хвиль до оглядів галактик і точних вимірювань космічного мікрохвильового фону.

Але можливість є глибокою: всесвіт, можливо, не починався один раз, а міг відскочити. І темні структури, що формують галактики сьогодні, можуть бути реліктами з часу до Великого вибуху.

Цікавий факт

Дослідження показують, що реліктові чорні діри можуть становити значну частину темної матерії, що робить їх важливими для розуміння структури всесвіту.