Черные дыры, которые старше Вселенной

Полвека назад ученые начали обсуждать идею о черных дырах, которые возникли сразу после Большого взрыва. Сегодня эта теория стала отправной точкой для более смелых размышлений: а что, если некоторые черные дыры появились задолго до возникновения нашей Вселенной? Если такие объекты реально существуют, то они могут стать доказательством предшествующей космической эпохи — и изменить современную космологию.

В 1970-х годах молодой аспирант под руководством Стивена Хокинга заинтересовался идеей о возможности появления крошечных черных дыр из-за плотностных флуктуаций сразу после Большого взрыва. Несмотря на сомнения и попытки опровергнуть эту теорию, расчеты показали, что такие объекты, известные как первичные черные дыры, могли возникнуть. Более того, некоторые из них могли просуществовать миллиарды лет и существуют и по сей день.Со временем интерес к данной теории только возрос. Помимо того, что она объясняет происхождение темной материи и загадочных сверхмассивных черных дыр, первичные черные дыры позволили Хокингу сделать одно из самых значимых открытий XX века - предсказать излучение, исходящее от черных дыр, которое сегодня известно как излучение Хокинга.

В последние годы возникла новая концепция, которая вызывает гораздо больше вопросов: а что, если некоторые черные дыры возникли задолго до возникновения нашей Вселенной и пережили сжатие и "отскок" предыдущего космоса?

Событие, известное как Большой взрыв, является точкой отсчета для истории Вселенной. Примерно 13,8 миллиарда лет назад вся материя и энергия возникли одновременно, а затем началось быстрое расширение - период инфляции. Однако что произошло до этого момента, в самом начале, до начала инфляции?

Уравнения общей теории относительности, разработанные Эйнштейном, не применимы в точке сингулярности, где плотность материи становится бесконечной. Этот теоретический тупик стимулировал многих космологов исследовать альтернативные гипотезы. Одним из возможных сценариев является не взрыв, а отскок: Вселенная не возникла из ничего, а прошла через перерождение после коллапса предыдущей формы. Этот сценарий известен как циклическая модель, в которой космос периодически расширяется и сжимается. При определенных условиях такой подход может объяснить как начало, так и возможный конец существующей реальности.

Долгое время оставался открытым вопрос о том, сохраняется ли что-то из прошлого цикла после сжатия и отскока. Если во время сжатия образовывались черные дыры, особенно если они не сливались, то они могли пережить переход между циклами. Для этого необходимо было, чтобы расстояния между ними в момент наивысшей плотности превышали их размеры. Таким образом, объекты не столкнулись бы и могли бы продолжить существование в новой Вселенной.

В 2015 году математические расчеты подтвердили, что в модели с регулярной решеткой черных дыр, встроенной во Вселенную, возможны решения уравнений Эйнштейна, при которых множество черных дыр сохраняется. Эти объекты, перешедшие из одного космического цикла в другой, могли оказать значительное влияние на формирование структуры современной Вселенной. Предполагается, что черные дыры из "прошлого мира" могли стать зародышами галактик, объяснить загадочную темную материю и даже спровоцировать отскок.

В отличие от обычной модели с инфляцией, в этих сценариях нет необходимости предполагать, что все первичные черные дыры возникли после инфляции. Они могли существовать и до нее, а инфляции вообще не быть.

В 2018 году ученые по астрофизике Карло Ровелли и Франческа Видотто предположили, что темная материя может быть образована из реликтовых черных дыр, которые пережили отскок. Согласно их теории, лишь небольшая часть пространства не находилась внутри этих объектов в момент отскока. Тем не менее, в такой Вселенной наблюдатели все равно восприняли бы ее как однородную - точно так же, как мы видим ее сегодня.

Одной из самых экзотических концепций является идея о том, что при отскоке все черные дыры объединяются, образуя иерархию объектов все более массивных, пока весь космос не превратится в одну огромную черную дыру. Возможно, так завершится наш цикл - если Вселенная снова начнет сжиматься.

Для оценки вероятности указанных сценариев в 2023 году были проведены исследования двумя независимыми группами ученых из Аргентины и Канады, изучающими поведение одиночной черной дыры во время космического отскока. Обе команды пришли к одинаковым выводам: черная дыра способна выжить в этом процессе, хотя ее размеры могут уменьшиться. Это открытие может указывать на то, что не все черные дыры обязательно сливаются. Возможно, некоторые из них сохраняются от одного цикла к другому.

Как можно различить "до-вселенские" черные дыры от тех, что образовались после Большого взрыва? Ответ может быть найден в распределении массы сверхмассивных черных дыр. Эти гиганты, с массой от миллиона до десяти миллиардов солнечных масс, уже существовали на ранних этапах развития Вселенной. Пока неясно, как они смогли так быстро увеличить свою массу. Одна из гипотез заключается в том, что они возникли из семян в виде первичных черных дыр.

Исследователи из Китая под руководством И-Фу Цая провели моделирование плотностных флуктуаций в двух различных сценариях: с инфляцией и с отскоком. По их расчетам, в модели с отскоком количество сверхмассивных черных дыр должно уменьшаться быстрее с увеличением их массы. На данный момент недостаточно данных для того, чтобы подтвердить или опровергнуть эту гипотезу. Однако телескоп Джеймса Уэбба может изменить текущую ситуацию.

Если в будущем мы сможем подтвердить существование черных дыр из предыдущей Вселенной, это будет не только прорывом в области астрофизики. Это откроет новую главу в понимании времени, материи и пространства. Даже если эти концепции окажутся неверными, они уже послужили вдохновением для важных открытий. Именно размышления о первоначальных черных дырах привели Стивена Хокинга к предсказанию излучения и формулировке парадокса информации.

Post Scriptum

Несмотря на захватывающий сюжет, гипотеза о черных дырах из предыдущей Вселенной остается на грани научной допустимости. Теоретические расчеты и математические модели — это лишь предположения, которые еще не получили подтверждения. Нет прямых наблюдательных данных, указывающих на существование таких объектов. Даже наличие первичных черных дыр в нашей Вселенной пока не установлено. Кроме того, альтернативные объяснения темной материи и сверхмассивных черных дыр в рамках стандартной космологии на данный момент кажутся более убедительными. Поэтому следует относиться к этим идеям с осторожностью. Они могут быть привлекательными и вдохновляющими, но пока не имеют научного подтверждения.