Новое исследование российских учёных показывает, что Вселенная не всегда расширялась и в обозримом будущем начнёт сжиматься. Возможно, люди не переживут этот цикл сжатия. К счастью, самой Вселенной больше не грозит тепловая смерть.
Мироздание ожидает вечная смерть?
В современной физике и космологии существуют две основные проблемы: 85% массы неизвестны и составляют темную материю, основная часть энергии тоже неизвестна и называется темной энергией. Наблюдения показывают, что темная материя служит «клеем», удерживающим вместе материю галактик, а темная энергия расталкивает Вселенную во все стороны.
С первым фактом трудно не согласиться: без него жизнь была бы невозможна. Галактики необходимы для того, чтобы плотность газа была достаточной для образования звезд и планет. Второй факт куда менее радужен: если темная энергия существует, Вселенная будет расширяться бесконечно, а значит, испытает тепловую смерть. Звезды погаснут, новыми не появится потому, что старые заберут газ. Все остынет до температур, непригодных для сложной жизни, а плотность материи со временем станет ничтожной из-за расширения пространства-времени.
Такая устрашающая картина, исходя из нынешних данных, будет длиться вечно: в расширенной Вселенной из-за низкой концентрации материи обратное сжатие невозможно. Темная энергия продолжит расширять ее бесконечно, но наблюдать за этим уже некому.
Похоже, сначала придётся несладко пережить.
Несмотря на кажущуюся простоту с точки зрения физиков, картина все же представлялась им неудовлетворительной. За последние годы темная материя и энергия стали казаться физикам неразрешимыми проблемами.
Попытки объяснить темную материю с помощью неизвестных частиц (WIMP) провалились. Пока нет общепризнанной альтернативы им. Ситуация настолько сложная, что некоторые физики предлагают изменять законы тяготения, чтобы исключить необходимость в темной материи.
Темная энергия оказалась не лучшим вариантом. Ее считали космологической константой, раздвигающей пространство во все стороны с одинаковой силой в любой точке. Но наблюдения космического телескопа «Планк» показывают другое. Оказывается, что скорость расширения Вселенной по измеряемым им неоднородностям реликтового излучения — лишь 67,66 ± 0,42 километра в секунду на мегапарсек пространства (мегапарсек равен 3,26 миллиона световых лет). А вот по данным космического телескопа «Хаббл», наблюдавшего за удалением близких к Земле объектов, Вселенная расширяется. совсем с другой скоростью — 74,03 ± 1,42 километра в секунду на мегапарсек.
Открытия гравитационной обсерватории LIGO показали неожиданно большое число слияний черных дыр звездных масс — черных дыр массой до сотни солнечных. Такая частота слияний возможна только при большом количестве таких объектов, больше чем предполагалось до запуска LIGO.
Поскольку черные дыры звездных масс образуются из звезд, как и звезды, должны находиться не равномерно по Вселенной, а сконцентрированы в скоплениях. Темная материя, как видно из разгона ею краев галактических дисков, расположена в темном гало вокруг галактик. Исходя из этого, ученые делали вывод о том, что черные дыры, составляющие темную материю, могут быть собраны в темные шаровые скопления.
Два главных вопроса всё ещё остаются без ответа. Откуда столько чёрных дыр? И почему влияние темной энергии больше у нас, чем в миллиардах световых лет от неё?
Источник черных дыр: Вселенная-феникс
Недавняя статьяВ «Астрофизическом бюллетене» Н. Н. Горькавого и С. А. Тюльбашева предпринимают серьезный шаг в поиске ответов на эти вопросы. Авторы справедливо указывают, что в черные дыры могут перейти не все звезды, а лишь одна из тысяч (преимущественно массивные). При этом оценочное число звезд во Вселенной составляет 100 секстиллионов (сто миллиардов триллионов). Одна тысячная от их числа — всего 100 квинтиллионов (сто миллиардов миллиардов).
Это в тысячу раз меньше того, что требуется для образования черных дыр таких масс, которые обнаруживается. LIGOМогли отвечать за темную материю. Очевидно, нужен какой-то неожиданный источник подобных черных дыр. Исследователи предлагают в качестве такого источника идею Вселенной-феникса. Согласно ей существующая Вселенная прошла множество циклов сжатия и расширения — наш цикл не первый и даже не сотый. Он лишь один из множества таких, что были до него и будут после. В первой фазе каждого цикла наша Вселенная расширяется, как это происходит сейчас. Во второй фазе она постепенно начинает сжиматься.
Сближаясь, черные дыры всё меньше и меньше разделяют расстояние между собой. В заключительном этапе цикла сжатия диаметр Вселенной сократится до десяти световых лет вместо нынешних ста миллиардов. Такое сжатие вознесёт концентрацию и энергию фотонов реликтового излучения, повысив температуру Вселенной с трёх кельвинов до десяти миллиардов. При такой температуре все атомы тяжёлых элементов, накопленные во всех звёздах Вселенной, распадутся: их разрушат гамма-фотоны реликтового излучения.
Черные дыры, в отличие от атомов тяжелых элементов, почти неуничтожимы: частицы могут падать в черную дыру, но не вырваться наружу. В конце существования Вселенной, когда она сжалась до десятка световых лет, останутся только черные дыры и часть нейтронных звезд.
Здесь начинается самое интересное: на небольшом пространстве в десяток световых лет миллиарды триллионов черных дыр становятся близкими соседями. Из-за малой дистанции частота их слияний резко увеличивается. Каждое такое слияние, как мы знаем из данных LIGO, сопровождается превращением около 5% массы сливающихся дыр в гравитационные волны. Поскольку гравитационные волны сами по себе массы не имеют, а отмечал еще Эйнштейн, то значительная часть массы в такой сжимающейся Вселенной начинает превращаться в гравиволны. Если все черные дыры сольются друг с другом, их число уменьшится вдвое, а общая масса Вселенной — как минимум на 5%. Оставшиеся черные дыры могут сливаться и далее, и тогда масса Вселенной уменьшится на 5% в каждом цикле. В итоге она может уменьшиться на порядки.
Сжатие Вселенной происходит за счет тяготения существующих в ней объектов. Если масса этих объектов во время слияний черных дыр значительно уменьшится, то гравитирующая масса Вселенной станет недостаточной для продолжения сжатия.
Представьте Солнечную систему: если резко уменьшить массу Солнца, рано или поздно оно станет настолько слабым, что планеты разлетятся. Эта аналогия отдаленная потому, что во Вселенной нет центробежной силы, а вместо нее действует другая сила, расчеты которой можно увидеть. вот здесь (а визуально — на картинке ниже).
Модель Вселенной-феникса, предложенная Горькавым и Тюльбашевым, описывает цикл сжатия и расширения. Достигнув размера около десятка световых лет, Вселенная «сжигает» ядра тяжелых атомов в гамма-фотонах. Соединение черных дыр преобразует большую часть массы «темной материи» в гравиволны. При достижении критического порога преобразования сжатие прекращается, и Вселенная начинает быстро расширяться. Этот момент трактуется как «Большой взрыв», начало нового цикла развития той же самой Вселенной-феникса.
Сначала в нём нет тяжёлых элементов. По прошествии времени после Большого взрыва температура, из-за расширения пространства-времени, падает настолько, что появляются лёгкие атомы барионной материи, например, водород или гелий. Остатки прошлых циклов сверхмассивных чёрных дыр становятся центрами притяжения для лёгких газов. Так постепенно вокруг гигантских ЧД и образуются галактики. Авторы новой работы называют такие дыры «затравочными», потому что именно они служат «затравкой» для образования галактик.
Идея о формировании галактик вокруг центральной массивной чёрной дыры существовала ранее, на это указывали наблюдения за такими объектами в ранней Вселенной. До новой работы Горькавого и Тюльбашева механизм образования таких необычайно ранних сверхмассивных чёрных дыр оставался неясным.
Как может наше все более развивающееся пространство превратиться в сжимающееся?
Как мы уже отмечали, «Большой взрыв» происходит из-за превращения части темной материи (в виде черных дыр) в гравитационные волны без массы. Однако роль гравиволн во Вселенной не ограничивается этим. При столкновении с черными дырами их поглощают. Из-за этого масса черных дыр — темной материи нашей Вселенной — постепенно увеличивается. Когда она становится достаточно большой, расширение пространства-времени замедляется, а затем меняется на сжатие.
Эволюция Вселенной-феникса напоминает работу гигантского маятника: при подъёме кинетическая энергия переходит в потенциальную, и скорость уменьшается, уступая место нисходящему движению.
Расширяющаяся Вселенная преобразует энергию гравитационных волн в массу до тех пор, пока не образуется столько массы, что расширение сменится сжатием. В конце цикла сжатия масса сливающихся черных дыр частично превращается в гравитационные волны, из-за чего цикл сжатия сменяется резким взрывообразным расширением — Большим взрывом.
Все это очень интересно, но как это проверить?
Научная теория должна быть проверяемой. Идея суперструн имела много сторонников среди физиков, но их число уменьшилось после того, как выяснилось, что из нее нельзя сделать никаких предсказаний для проверки ее истинности.
Авторы новой статьи считают, что большая часть наблюдений, подтверждающих их теорию, уже проведена. С помощью вычислений авторы показывают, что в модели образуется примерно такое же количество черных дыр звездной массы (легче Солнца), которое могло бы объяснить частые слияния таких объектов, регистрируемые LIGO. Да, такие дыры часто сливаются, но их число от цикла к циклу растет, и поэтому может быть больше, чем если бы Вселенная была «одноразовой». Получить сто секстиллионов черных дыр из ста секстиллионов звезд нельзя, но если основная часть черных дыр — из прошлых циклов Вселенной-феникса, то их многочисленность вполне понятна.
Количество сверхмассивных черных дыр (массивнее миллиона Солнц), оставшихся от прошлых циклов, в данной модели близко к наблюдаемому значению. Сегодня считается, что сверхмассивных черных дыр примерно столько же, сколько и крупных галактик во Вселенной — около ста миллиардов. В рамках существовавшей ранее космологии нельзя объяснить, откуда взялись миллиарды очень крупных ЧД уже в ранней Вселенной, а в модели Горькавого-Тюльбашева это возможно.
Это, конечно, мало. Модель можно приспособить к уже известным результатам, даже не осознавая этого. Требуются предсказания – то, чего наука еще не знает, но которое следует из модели и может быть подтверждено астрономами в новых наблюдениях.
Создатели нового исследования считают таким предсказанием утверждение о наличии в галактиках темных шаровых скоплений черных дыр звездной массы. Авторы заключают: «Анализ по астрометрическим каталогам (и данным Gaia) движения звезд за пределами нашей Галактики поможет обнаружить темные шаровые скопления в диске Галактики».
Между Землёй и звездой из другой галактики, проходящие темные шаровые скопления, хотя и нечасто, создают гравитационную линзу, которая легко различима на фоне остальных небесных объектов.
Николай Горькавый в комментарии для Naked Science сообщил.
Моделирование показывает, что сжатие Вселенной до нескольких световых лет и массовое соединение чёрных дыр вызовет интенсивное выделение гравитационного излучения. При образовании таковые волны обладают… частотуВ сотню герц, но к настоящему времени растянутся в десять миллиардов раз – до наногерцовых частот. Пока новая статья лежала в редакции, консорциум NANOGrav по вариациям излучения пульсаров открыл стохастичный фон наногерцовых гравитационных волн. Это открытие может стать таким же прямым доказательством циклической модели Вселенной, как реликтовое электромагнитное излучение стало убедительным подтверждением модели горячей Вселенной и Большого взрыва.
Нейтронные звезды — результат прошлого развития Вселенной?
Еще одно необычное предсказание модели Горькавого-Тюльбашева – реликтовые нейтронные звезды. Авторы отмечают, что энергия гравитационной связи на один нуклон для нейтронной звезды составит около 100 мегаэлектронвольт. В этом нет ничего удивительного: плотность вещества нейтронной звезды такова, что заполненный им спичечный коробок… весил быИз-за трех миллиардов тонн сила тяжести в два hundred миллионов раз больше, чем на Земле.
Даже при нагреве гамма-квантами реликтового излучения сжимающейся Вселенной до ста миллиардов градусов такие нейтронные звезды не будут полностью уничтожены. Часть массы может быть потеряна из-за обстрела гамма-квантами. Эти реликтовые нейтронные звезды могут «худеть» от исходной массы до 0,1-0,2 солнечных. Из-за уменьшения массы снизится и сжатие вещества нейтронной звезды: по диаметру она будет в несколько раз больше обычной.
Это предсказание достаточно интересно, но проверить его на первый взгляд сложно. Нейтронные звёзды с прошлых циклов Вселенной-феникса остыли и давно прекратили быстрое вращение и излучение, что мешает обнаружить их как обычные нейтронные звёзды. Всё же способ найти их есть: такие звёзды иногда сливаются друг с другом, например, как во время события GW170817, зарегистрированного LIGO в 2017 году.
Гравитационные волны, порожденные этими объектами, преодолели 130 миллионов световых лет до того, как достигли Земли. Анализируя разницу в приходе гравитационных волн в различные части планеты, можно выяснить параметры сливающихся нейтронных звезд. Если показатели будут заметно меньше нормы, возникнут серьезные основания подозревать, что сливаются не нейтронные звезды из нашей эпохи, а реликтовые объекты, пережившие Большой взрыв.
Кстати, одна из нейтронных звёзд в событии GW170817, предположительно, имелаМасса варьируется от 0,86 до 1,36 солнечных масс. предела Чандрасекара— того предела массы, при котором компактный объект может превратиться в нейтронную звезду. Нейтронной звезде крайне сложно потерять массу — ее гравитация в сотни миллиардов раз сильнее земной. Если у объекта, для образования которого требуется масса Солнца (предел Чандрасекара), масса почему-то стала заметно меньше — основание задуматься о том, не зарегистрировала ли LIGО в 2017 году остаточную нейтронную звезду.
Существует иной сценарий выявления остаточных нейтронных звезд – слияния с черными дырами. В самом начале 2020 года LIGO зафиксировалаВпервые зафиксировано сразу два таких события — крупные нейтронные звезды. Если же продукт слияния окажется менее массивным, то это новый повод для размышлений о возможности гибели остатка предыдущей Вселенной.
Авторы полагают, что реликтовые нейтронные звезды могут обнаружить среди «странных» пульсаров. К ним относятся и «медленные» пульсары с большим периодом радиосигналов доходящих до земного наблюдателя. Есть там и «вращающиеся радиотранзиенты». Это как бы пульсары с большими и нередко разными периодами между сигналами. Известно около ста таких экзотических объектов, но понимание их до сих пор остается слабым. Авторы новой работы считают, что большие периоды и неправильность сигналов ожидаемы для реликтовых нейтронных звезд, уже потерявших почти всю энергию вращения (эта энергия подпитывает излучение пульсаров).
Понять это пока сложно. Однако по логике реликтовые нейтронные звезды из прошлых Вселенных часто находились бы в галактических гало, как и темная материя (реликтовые черные дыры). Практически половина известных нейтронных звезд-пульсаров — медленно вращающиеся, с периодом не ниже 0,5 секунды. При этом они тяготеют не к дискам галактик, а скорее к галактическим гало, да еще и скорости их движения – не выше 60 километров в секунду. Другая половина пульсаров находится в основном в дисках галактик и имеет куда меньший период вращения — менее 0,2 секунд. Скорость их движения значительно выше — около 150 километров в секунду.
«Медленные» нейтронные звезды галактического гало чем-то напоминают гипотетические реликтовые нейтронные звезды Горькавого и Тюльбашева. Нейтронные звезды образуются после взрывов сверхновых, которые редко бывают идеально симметричными. Поэтому от нереликтовых нейтронных звезд можно ожидать больших скоростей движения. Реликтовые же нейтронные звезды за свою жизнь проходили через плотные среды и постепенно теряли скорость — у них было как минимум десятки миллиардов лет для этого.
Новое исследование предсказывает, что реликтовые нейтронные звезды с массой от 0,1 до 0,2 солнечных могут образовывать двойные системы с обычными звездами. Такая система будет выглядеть как стандартная звезда с практически невидимым компаньоном, массой от 0,1 до 0,2 солнечных. Массовое обнаружение таких систем станет статистическим подтверждением их существования, отмечают авторы. Это особенно важно потому, что большую часть реликтовых нейтронных звезд невозможно обнаружить как пульсары: самые старые из них просто потеряли энергию вращения за сотни миллиардов лет своей «жизни».
Завершится ли конец света погружением во что-то подобное чёрной дыре колоссальных размеров?
Модель указывает на существование во вселенной гигантской черной дыры, превосходящей по массе все ранее обнаруженные сверхмассивные черные дыры. Её размеры таковы, что она в конечном итоге поглотит всю Вселенную, включая Землю и всех нас.
Важно понимать, что речь не идет о какой-то катастрофе, конце света в привычном понимании. Падение в черную дыру грозит смертью путем «спагеттификации», только если дыра мала – звездных масс. Попав в сверхмассивную черную дыру, спагеттифицироваться вам не удастся. Она такая велика, что разность действия приливных сил на голову и ноги будет незначительной – и «превращать в спагетти» падающего в нее человека она не сможет.
В большинстве случаев падение в такой объект пройдет безболезненно и незаметно. Только астрономы увидят, как сначала миллиарды лет красное смещение в далеких галактиках постепенно исчезнет. Это будет означать приближение границы Главной черной дыры. Затем оно внезапно сменится голубым — Вселенная из расширяющейся станет сжимающейся. Собственно, это будет главным признаком того, что нас поглотила черная дыра.
Из этого не следует, что земная цивилизация выживет в результате этого процесса. Сжатие Вселенной займет, скорее всего, миллиарды лет. До остановки расширения, по оценкам Горькавого, — 10-20 миллиардов лет. Обратное сжатие может занять еще 20-39 миллиардов лет.
В конечном итоге придёт конец. Сначала ночное небо станет настолько горячим, что вся жизнь на поверхностях всех планет погибнет. Затем вся быстро сжимающаяся Вселенная превратится в огненное inferno сто миллиардов градусов.
Человек не нейтронная звезда. Гамма-кванты реликтового излучения в конце уничтожат все обычные атомы, и пережить цикл сжатия Вселенной-феникса невозможно. Возможно, выход из этой ситуации существует, но пока его неизвестно.
Наши читатели вряд ли застанут эти события, так что беспокоиться о них придется нашим потомкам, если те доживут до столь далеких времен. Новый год же всегда подкрадывается неожиданно и до самого последнего момента кажется, что до него еще полно времени.
Что из всего этого следует?
Содержание новой статьи напоминает попытку революции в космологии. Возможно, это первая теория нашего времени, предлагающая логичное и связное объяснение того, что такое темная материя и темная энергия. Первой оказываются реликтовые черные дыры, второй – по сути, не существуетПодобный эффект, разделяющий пространство, оказала и Главной Черной дыре.
Новая концепция объясняет разницу в скорости расширения Вселенной: за пределами нашей галактики (по данным наблюдений «Планка» за реликтовым излучением) она меньше, чем вблизи (по данным наблюдений «Хаббла» за звездами). Если бы вселенная теряла массу при расширении, то скорость в далеком прошлом была бы иной. Равенство скоростей возможно только при наличии темной энергии, что не требуется в новой модели космологии.
«Ряд наблюдательных работ указывает на анизотропиюРазнообразие качеств по направлению к границам Вселенной и её конечность. Этим явлениям не подчиняются представления инфляционной теории о разовой Вселенной, однако они полностью соответствуют представленному сценарию цикличного развития Вселенной.
Николай Горькавый
Концепция обладает рядом сильных сторон: она раскрывает главный вопрос формирования галактик. Ученые давно отмечают, что без сверхмассивных черных дыр в центрах галактики не могли бы образоваться. Астрономы обнаруживают такие дыры уже в первые сотни миллионов лет существования Вселенной — их масса достигает миллиардов солнечных. Новая модель предлагает естественное объяснение происхождения этих черных дыр.
В ранних Вселенных, существовавших до Большого взрыва, где сейчас наша галактика, присутствовала темная материя из черных дыр звездных масс. Из этого следует, что в самой первой Вселенной заметного количества галактик не было: отсутствовал «затравка» в виде огромных черных дыр, тянувших газ и формирующих галактики.
Перейдём от преимуществ новой работы к её недостаткам.
Труды Горькавого и Тюльбашева вряд ли вызовут быстрый и широкий отклик у большинства учёных. Их работы значительно расходятся с принятой космологической моделью «одноразовой Вселенной». Предположение о сотнях циклов расширения и сжатия Вселенной не является чем-то новым — подобную концепцию выдвинул ещё Георгий Гамов, предсказавший реликтовое излучение.
Механизмы, предложенные Горькавым и Тюльбашевым, необычны и непривычны для слуха: сжатие Вселенной за счет набора массы черными дырами; расширение — за счет сброса массы теми же черными дырами, излучающими гравиволны. Это новый шаг в космологии. Настолько новый, что большая часть физиков не задумываласьВ отношении таких вопросов вообще. Матьереи идут настолько далеко… не в курсеПо мнению Эйнштейна, гравитационные волны безмассовые. Некоторые ученые серьезно утверждают, что из-за этого потеря общей массы Вселенной невозможна: масса черных дыр просто превратится в массу гравитационных волн, и ничего не изменится.
Ещё одна проблема: теория Горькавого-Тюльбашева может помешать развитию таких научных направлений, как поиск вимпов, темной энергии и теорий. квантовой гравитацииВ истории науки не было случаев, когда приверженцы отвергнутых научных идей сами сознательно признавали их несостоятельность и пересматривали своё мнение. Вероятно, на сей раз ситуация будет аналогичной.
Новую работу отличает ещё одна проблема – её сравнительно небольшая продолжительность. Современная наука привыкла к формату журнальных публикаций, которые по своей природе очень краткие. Такая сжатость позволяет изложить в понятной форме лишь фрагмент результата, доступный для других учёных. Трудно представить, как на четырёх-пяти страницах стандартной статьи можно доходчиво описать масштабные достижения.
Специализация современной науки настолько велика, что даже экспериментальные физики часто с удивлением, но непониманием относятся к работе теоретиков. В подобных обстоятельствах приходится объяснять каждый тезис новой теории неоднократно.
Работы Горькавого и Тюльбашева объёмом в несколько раз превышают стандартные, но, возможно, не достаточно для того, чтобы другие физики полностью осознали эту концепцию. Для этого нужна книга – научная монография, написанная доступным языком, чтобы даже физики, не являющиеся специалистами по гравитации, могли понять, почему гравиволны не имеют массы, как Вселенная могла существовать сотни циклов подряд и почему альтернативные объяснения темной материи и темной энергии в данный момент кажутся довольно слабыми.