Overclockers.ru: Как учёные ищут Черные Дыры старше самой Вселенной

Ученым неизвестно, как сформировались сверхмассивные черные дыры. ESA/Hubble, DSS, Nick Risinger, N. Bartmann 

Почти 50 лет назад, когда Карр был еще аспирантом, он написал статью о растущем количестве доказательств существования черных дыр - областей пространства, в которых гравитация настолько сильна, что оттуда не может вырваться даже свет. Сегодня в их существовании уже никто не сомневается. Известно, что они образуются из коллапсирующих звезд, а также что сверхмассивные дыры находятся в центрах галактик. Некоторые из них даже удалось сфотографировать. Вместе с тем в своей статье Карр упомянул о другой, более спорной идее: о том, что черные дыры меньших размеров могли образоваться в ранней Вселенной, вскоре после Большого взрыва.

Он работал над этой задачей под руководством Стивена Хокинга, который начал задумываться о такой перспективе всего несколькими годами ранее. Эта совместная работа и определила дальнейшую судьбу карьеры Карра, во многом посвященной изучению так называемых первозданных черных дыр. Нам до сих пор не удалось доказать факт их существования, но есть все основания полагать, что они все-таки существовали. Возможно, некоторые из них существуют и сегодня, и, что очень интересно, они могут стать ответом на целый ряд космологических загадок.

Однако недавно Карр заинтересовался еще более экзотической идеей — возможно, некоторые черные дыры могут быть старше самой Вселенной. Это довольно смелая идея, но на самом деле она не лишена некоторого смысла, пишет Карр. К тому же новые исследования позволяют предположить, что в один прекрасный день мы сможем их обнаружить, и это будет прорыв, который радикально изменит наше понимание космологии.

Большинство космологов утверждают, что вся материя и энергия, которая сегодня пронизывает нашу Вселенную, образовалась в один момент 13,8 миллиарда лет назад в результате так называемого Большого взрыва. После этого был период - так называемая космическая инфляция - когда Вселенная росла экспоненциально быстро, но впоследствии этот процесс замедлился.

Большой взрыв

Одна из проблем этой концепции заключается в том, что нам доподлинно неизвестно, что произошло в момент Большого взрыва. Его часто описывают как сингулярность - точку бесконечной плотности, - и вот тут-то общая теория относительности Альберта Эйнштейна, сама "распадается на сингулярности". В результате мы не можем описать ее с помощью обычных уравнений, которые придают смысл реальности.

Это заставило некоторых космологов предположить, что наша Вселенная началась с большого отскока. Большой отскок - одна из космологических гипотез образования Вселенной, вытекающая из циклической модели, или интерпретация теории Большого взрыва, согласно которой наша Вселенная появилась в результате коллапса некой "предыдущей" Вселенной. Сценарий с отскоком "совместим" с некоторыми попытками объединить законы физики, в частности с некоторыми моделями квантовой космологии, петлевой квантовой гравитацией и рядом других альтернативных теорий гравитации.

Если наша Вселенная возникла в результате Большого отскока, то и будет уничтожена таким же образом. Подобные циклические скачки, при которых Вселенная проходит через периоды расширения и сжатия, принято называть циклической Вселенной.

Такое утверждение справедливо только в том случае, если Вселенной суждено реколлапсировать, что, в свою очередь, зависит от природы темной энергии - таинственной силы, заставляющей галактики удаляться друг от друга со все возрастающей скоростью. Тем не менее, если мы найдем доказательства существования подобных циклических моделей, это будет иметь большое значение для понимания того, как зародилась наша Вселенная и как она может погибнуть.

Найти эти доказательства непросто, в том числе и потому, что при коллапсе все, что существовало в предыдущей версии Вселенной, скорее всего, было уничтожено. А может, все-таки не всё? Карр считает, что возможно, некоторые черные дыры из предыдущей вселенной пережили большой скачок и существуют до сих пор.

Идея о том, что черные дыры могли образоваться в ранней Вселенной, возникла еще в начале 70-х годов прошлого века. Карр со Стивеном Хокингом рассматривали вероятность образования черных дыр в результате флуктуаций плотности вещества вблизи Большого взрыва. По расчетам ученых, такое действительно оказалось возможным. Но тут возникла загвоздка. Несколькими годами ранее российские исследователи Яков Зельдович и Игорь Новиков показали, что любые черные дыры, образовавшиеся в ранней Вселенной, будут быстро расти, достигая огромной массы в наши дни. Однако такой сценарий был исключен наблюдениями - эффект от таких черных дыр стал бы заметен.

Компьютерное моделирование изображения сверхмассивной черной дыры. Nasa

"Моя первая работа со Стивеном показала, что этот вывод неверен. После многодневных расчетов я с воодушевлением помчался к нему в кабинет, чтобы сообщить радостную новость: из-за расширения Вселенной, которое не учитывалось в предыдущих расчетах, первобытные черные дыры могли бы вообще не расти. Я был изрядно обескуражен, узнав, что Стивен только что пришел к тому же выводу, самостоятельно произведя расчеты в своей голове. Тем не менее мы согласились: первобытные черные дыры все-таки могли существовать", - Бернард Карр.

Первобытные черные дыры

Прошло пятьдесят лет, а ученым так и не удалось обнаружить ни одну из подобных черных дыр. Впрочем, некоторые космологи считают, что в наблюдаемых нами пульсациях в пространстве-времени, именуемых гравитационными волнами, есть кое-какие намеки на них.

По крайней мере, совершенно точно можно сказать одно, пишет Карр, именно рассуждения о ПЧД натолкнули Стивена на мысли о том, что черные дыры испускают тепловое излучение (излучение Хокинга), а также об информационном парадоксе черных дыр.

Конечно, было бы гораздо интереснее, если бы первичные черные дыры действительно существовали, - и в последние годы интерес к этой идее растет. Ученые рассчитали, что любые черные дыры массой менее 1 миллиарда тонн, уже испарились бы из-за излучения Хокинга. Однако любые черные дыры большего размера существовали бы и сегодня.

Впрочем, возможен и еще более любопытный сценарий. Около 10 лет назад Карр вместе с Аланом Коли из Университета Далхаузи в Галифаксе (Канада) задумались о цикличности Вселенной. Ученые предположили, что черные дыры могли образоваться во время предыдущего космического цикла. Более того, они обнаружили, что существует два возможных варианта.

Первый заключается в том, что они образовались из-за высокой плотности предыдущей Вселенной в последние моменты ее коллапса. Это "большое сжатие" подобно фазе высокой плотности при большом взрыве, но в обратном направлении. Поэтому если черные дыры могли образоваться во время большого взрыва, то они могут образоваться и во время большого схлопывания. В этом случае они будут иметь минимальную массу, определяемую плотностью Вселенной в момент отскока - времени, когда Вселенная имеет наибольшую плотность. Если эта плотность достаточно мала, то черные дыры могут быть достаточно большими, чтобы потенциально объяснить темную материю, загадочный материал, который не позволяет галактикам разлетаться на части, а также происхождение сверхмассивных черных дыр.

В последующих работах это было исследовано более подробно. В 2016 году Джером Куинтин и Роберт Бранденбергер из Университета Макгилла в Монреале (Канада) рассчитали квантовые и тепловые флуктуации коллапсирующей Вселенной. Они обнаружили, что черные дыры действительно могут формироваться, но только в том случае, если во Вселенной доминирует материя, а не излучение.

Второй вариант заключается в том, что черные дыры образовались на более ранней стадии предыдущей Вселенной - точно так же, как черные дыры, которые формируются в результате коллапса звезд или галактических ядер в нашей Вселенной. В любом случае следующий вопрос, который волновал ученых - смогут ли черные дыры, существовавшие до Большого взрыва, пережить отскок и выжить в текущем цикле. Решение этой проблемы зависит от доли объема Вселенной, занимаемой черными дырами в момент отскока. Космологи предположили, что черные дыры выживут, если расстояние между ними в момент отскока будет больше, чем их обычный размер, поскольку в этом случае не начнут сталкиваться и сливаться друг с другом. В результате, пишет Карр, мы пришли к выводу, что такое возможно в различных сценариях.

В 2015 году Карр, Коули и Тимоти Клифтон, попытались решить эту проблему с помощью более строгих математических методов. Ученым удалось вывести несколько точных решений уравнений общей теории относительности Эйнштейна, описывающих упорядоченную структуру, своего рода космическую сеть из черных дыр во Вселенной, переживающей отскок. Результаты исследования показали, что действительно существуют модели, в которых множество черных дыр сохраняются в процессе отскока.

 Английский физик-теоретик Стивен Уильям Хокинг (Stephen William Hawking)

Инфляция не обязательна

Затем ученые проанализировали некоторые космологические эффекты этой гипотезы, предположив, что черные дыры различных масс и размеров, существовавшие до Большого взрыва, могли бы объяснить из чего и как устроена темная материя, дать начало галактикам и, возможно, даже вызвать сам отскок.

В стандартном сценарии Большого взрыва первичные черные дыры, образовавшиеся до инфляции, должны были экспоненциально "рассеяться". Поэтому принято считать, что все существующие сегодня черные дыры образовались после инфляции. Однако в некоторых моделях Большого отскока инфляция отсутствует.

Впоследствии другие исследования развили эти идеи. Так, в 2018 году Карло Ровелли из Экс-Марсельского университета во Франции и Франческа Видотто из Западного университета в Онтарио (Канада) исследовали возможность того, что темная материя состоит из остатков черных дыр, существовавших до Большого взрыва. Они предположили, что в момент отскока за пределами этих черных дыр находилась лишь крошечная часть объема Вселенной, хотя в более поздние времена наблюдатели в этих регионах видели бы более однородную Вселенную.

Еще более экзотическая гипотеза гласит, что отскок сожмет Вселенную настолько сильно, что все черные дыры сольются воедино. Даже сверхмассивные черные дыры, о существовании которых нам известно сегодня, могут привести к такой ситуации, в случае если наша Вселенная снова сожмётся. Подобные прогрессирующие слияния породили бы ЧД с экспоненциально возрастающей массой, пока, в конце концов, вся Вселенная не схлопнулась в гигантскую чёрную дыру.

Никто не знает, что случится в такой ситуации, пишет Карр, однако недавно работа двух научных команд пролила свет на эту проблему. В прошлом году Даниэла Перес и Густаво Ромеро из Аргентинского института радиоастрономии и, отдельно от них, специалисты под руководством Максенса Кормана из Института Периметра в Канаде рассчитали поведение одиночной черной дыры во время отскока. Хотя детали этих расчетов отличаются, обе группы пришли к выводу, что черная дыра может выжить во время отскока и что ее размер может уменьшиться на некоторое время. Такое сжатие наводит на мысль, что черные дыры "полностью" слиться в одну не смогут.

Все это конечно замечательно, пишет Карр, но как же насчет поиска доказательств? Интересно, что другое недавнее исследование дает некоторую надежду на то, что однажды мы сможем обнаружить черные дыры, существовавшие до Большого взрыва, то есть отличить их от ЧД, образовавшихся в нашей Вселенной. Руководителем этого эксперимента стал И-Фу Кай из Китайского университета науки и технологий. Его заинтересовала идея о том, что ПЧД могли привести к появлению сверхмассивных черных дыр в центрах галактик.

Сверхмассивные черные дыры

Масса этих огромных черных дыр варьируется от 1 миллиона до 10 миллиардов масс Солнца. Изучая космос, ближние и дальние галактики, ученые пришли к выводу, что СЧД существуют очень давно - возможно настолько давно, что их появление невозможно объяснить стандартными астрофизическими процессами. Непонятно, как они могли вырасти такими большими и так быстро. Одна из возможностей, хотя и не самая популярная, заключается в том, что они были образованы из первородных черных дыр. В таком случае возникает вопрос, есть ли способ выяснить, как могли появится ПЧД - в результате Большого взрыва или Большого скачка?

Цай и его коллеги смоделировали флуктуации плотности вещества в инфляционном сценарии и сценарии с отскоком и сравнили эти модели. Они обнаружили, что в случае отскока количество СЧД с увеличением массы будет сокращаться более интенсивно. На данный момент у космологов недостаточно информации, чтобы более детально проанализировать оба этих сценария. Но возможно в будущем это удастся сделать благодаря наблюдениям космического телескопа Джеймса Уэбба.

"Гипотеза о существовании первичных черных дыр, образовавшихся в "этой" Вселенной, довольно спекулятивная, ну а идея о ЧД из "предыдущей" Вселенной может показаться спекулятивной вдвойне. Тем не менее, исследовать такую возможность необходимо, не говоря уже о том, что это очень увлекательно. Как в свое время размышления о первобытных черных дырах привели к важным открытиям в области квантовой гравитации, так и рассуждения о ЧД, существовавших до Большого взрыва, могут привести к дальнейшим открытиям в области физики, даже если выяснится, что наша Вселенная не циклична. В моей статье 50 лет назад был сделан вывод, что "в теории черные дыры столь же распространены, сколь и уклончивы в наблюдениях", но сегодня я более оптимистичен в отношении поиска первозданных черных дыр, независимо от того, образовались они в предыдущей Вселенной или нет",  - Бернард Карр.

Бернард Карр - почетный профессор математики и астрономии Лондонского университета королевы Марии. Перед тем как получить докторскую степень, он изучал проблемы общей теории относительности Эйнштейна и космологии под руководством Стивена Хокинга в Институте астрономии в Кембридже. В сферу его исследовательских интересов входят ранняя Вселенная, темная материя, общая теория относительности, первичные черные дыры и антропный принцип.

"Конфеты" из черных дыр

Возможно, самым важным итогом работы над идеей ПЧД стало то, что она подтолкнула Стивена Хокинга к размышлениям о квантовых эффектах черных дыр. В частности, он сформулировал теорию о том, что черные дыры испускают тепловое излучение.

Только первобытные черные дыры должны быть достаточно маленькими, чтобы это излучение привело к их исчезновению за время существования Вселенной. Размышления об этом также привели Хокинга к информационному парадоксу черных дыр: согласно квантовой теории, информация не может быть уничтожена, но Хокинг заявил, что информация будет потеряна, когда черная дыра испарится.

Излучение Хокинга - одно из самых важных открытий в физике XX века. Оно объединяет три ранее разрозненные области знаний: квантовую теорию, общую теорию относительности и термодинамику. Это настолько удивительное достижение, что физик Джон Уилер, придумавший термин "черная дыра", однажды сказал Карру, что говорить об этом - все равно что "перекатывать мятную конфету на языке".

"Мне, как другу и ученику Стивена Хокинга, посчастливилось наблюдать, как он работает над этими проблемами. Даже если первичные черные дыры никогда не существовали, открытие излучения Хокинга указывает на то, что попытки их изучить были крайне важны".

Бернард Карр — почетный профессор математики и астрономии Лондонского университета королевы Марии