Сжимающаяся Вселенная столкнет нас в черную дыру. Но заметить конец света будет непросто

Мироздание ожидает вечная смерть?

В современной физике и космологии две основные проблемы: 85% массы составляет неизвестно что (темная материя) и основную часть энергии тоже — неизвестно что (темная энергия). Однако из наблюдений следует, что именно первое «неизвестно что» служит «клеем», удерживающим вместе материю галактик, а второе — темная энергия — расталкивает Вселенную во все стороны.

С первым фактом легко смириться: без него нам негде было бы жить. Без галактик плотность газа была бы низкой, звезды и планеты просто не возникли бы. Второй выглядит куда неприятнее: если темная энергия есть, Вселенная будет расширяться вечно, а значит, испытает тепловую смерть. Звезды потухнут, а новые не образуются, потому что старые заберут газ. Все остынет до температур, несовместимых со сложной жизнью, а плотность материи по мере расширения пространства-времени станет поистине ничтожной. Устрашающая картина, исходя из сегодняшних данных, будет длиться вечно: в расширившейся Вселенной из-за низкой концентрации материи никакое обратное сжатие невозможно. Темная энергия продолжит расширять ее вечно, но наблюдать будет уже некому.

Похоже, сперва придется изрядно помучиться

Какой бы неприятной ни казалась картина, с точки зрения физиков она долго выглядела самой простой и наиболее логичной. Но мы не зря назвали темную материю и энергию проблемами и для физиков: в последние годы начало казаться, что они просто нерешаемые.

Начнем с темной материи: попытки списать ее на некие неизвестные частицы (WIMP) в последние годы явно провалились. При этом общепризнанной альтернативы им пока тоже нет. Эта ситуация настолько плачевна, что иные физики от отчаяния предлагают уже подгонять законы тяготения под наблюдения так, чтобы эту темную материю исключить.

Темная энергия оказалась не лучше. Ее считали некоей космологической константой, «расталкивающей» пространство во все стороны с одинаковой силой в любой точке. Но наблюдения космического телескопа «Планк» показывают обратное. 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 от Земли объектов, Вселенная расширяется совсем с другой скоростью — 74,03 ± 1,42 километра в секунду на мегапарсек.

Naked Science уже писал, что ситуация с темной материей далеко не безвыходная. В последние годы гравитационная обсерватория LIGO выявила неожиданно много слияний черных дыр звездных масс — так называют черные дыры массой до сотни солнечных. Эти слияния могут происходить с наблюдаемой LIGO частотой, только если таких черных дыр просто огромное количество, много больше, чем ожидали до запуска LIGO.

Черные дыры звездных масс происходят из звезд. Значит, как и звезды, должны быть не равномерно распределены во Вселенной, а сконцентрированы в скоплениях. Темная материя, как ясно из разгона ею краев галактических дисков, находится в темном гало вокруг галактик. Из всего этого ученые уже делали ранее вывод, что черные дыры, составляющие темную материю, могут быть собраны в темные шаровые скопления.

Но остаются два важнейших вопроса. Откуда эти черные дыры в таких количествах взялись? И что все-таки творится с темной энергией — почему ее влияние вблизи нашей Галактики сильнее, чем в миллиардах световых лет от нее?

Источник черных дыр: Вселенная-феникс

Недавняя статья Н. Н. Горькавого и С. А. Тюльбашева в «Астрофизическом бюллетене» — серьезный новый шаг в ответе на эти вопросы. Ее авторы справедливо отмечают, что в черные дыры могут превратиться не все звезды, но лишь одна из тысяч (в основном массивные). Между тем оценочное число звезд во Вселенной — лишь 100 секстиллионов (сто миллиардов триллионов). Одна тысячная от их числа — всего 100 квинтиллионов (сто миллиардов миллиардов).

И это в тысячу раз меньше, чем необходимо, чтобы черные дыры тех масс, что обнаруживает LIGO, могли отвечать за темную материю. Очевидно, нужен какой-то неожиданный источник подобных черных дыр. Исследователи предлагают на роль такого источника идею Вселенной-феникса. Согласно ей существующая Вселенная прошла множество циклов сжатия и расширения — причем 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.

По мере сжатия расстояния между черными дырами постоянно уменьшаются. В финальной фазе цикла сжатия диаметр Вселенной становится не сто миллиардов световых лет, как сейчас, а всего десять световых лет. При таком сжатии концентрация и энергия фотонов реликтового излучения поднимает температуру Вселенной с трех кельвинов до десяти миллиардов. При подобной температуре все атомы тяжелых элементов, наработанных во всех звездах Вселенной, распадаются: их просто разрушают гамма-фотоны реликтового излучения.

Однако черные дыры, в отличие от атомов тяжелых элементов, практически неразрушимы: в черную дыру частицы могут падать, но не вырываться наружу. Поэтому во Вселенной в момент ее крайнего сжатия до десятка световых лет из крупных объектов остаются только они и часть нейтронных звезд.

Здесь начинается самое интересное. На относительно небольшом пространстве в десяток световых лет близкими соседями оказываются миллиарды триллионов черных дыр. Из-за малой дистанции частота их слияний резко растет. Но каждое такое слияние, как мы знаем из данных LIGO, сопровождается превращением ~5% массы сливающихся дыр в гравитационные волны. Как отмечал еще Эйнштейн, гравитационные волны сами по себе массы не имеют. В итоге 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 друг с другом и далее — и тогда масса Вселенной уменьшится на 5% в каждом цикле. В итоге она может уменьшиться на порядки.

Однако следует помнить: сжатие Вселенной идет именно за счет тяготения существующих в ней объектов. Если их масса в момент массовых слияний черных дыр значительно уменьшится, гравитирующая масса Вселенной рано или поздно станет слишком мала, чтобы сжатие продолжалось. Отдаленная аналогия: если мы возьмем Солнечную систему и начнем резко уменьшать массу Солнца, то рано или поздно она станет такой малой, что планеты нашей системы просто разлетятся в разные стороны. Аналогия эта отдаленная потому, что во Вселенной центробежной силы нет. Вместо нее работает другой член силы, расчеты по которому можно увидеть вот здесь (а визуально — на картинке ниже).

Именно это и происходит в описываемой Горькавым и Тюльбашевым модели Вселенной-феникса. Достигнув сжатия до примерно десятка световых лет, она «сжигает» в гамма-фотонах ядра тяжелых атомов. Попутно слияния черных дыр превращают большую часть массы «темной материи» в гравиволны — и когда это превращение достигает критического порога, сжатие Вселенной прекращается и она начинает резко расширяться. Этот момент в модели и трактуется как «Большой взрыв» — начало следующего цикла развития той же самой Вселенной-феникса.

В нем сперва нет никаких тяжелых элементов. Через какое-то время от Большого взрыва температура — за счет расширения пространства-времени — падает настолько, что возникают легкие атомы барионной материи, вроде водорода или гелия. Оставшиеся от прошлого цикла сверхмассивные черные дыры становятся центрами притяжения для легких газов. Так, постепенно вокруг этих гигантских ЧД и возникнут галактики. Авторы новой работы называют такие дыры «затравочными», потому что именно они служат «затравкой» для образования галактик.

Надо отметить, что идея о формировании галактик вокруг центральной массивной черной дыры была высказана заметно ранее: на это указывали наблюдения за такими объектами в ранней Вселенной. Однако до новой работы Горькавого и Тюльбашева механизм образования таких необычайно ранних сверхмассивных черных дыр оставался неясным.

Но как наша расширяющаяся Вселенная может стать сжимающейся?

Как мы отметили выше, «Большой взрыв» происходит из-за превращения части темной материи (в виде черных дыр) в гравитационные волны, не имеющие массы. На этом, однако, роль гравиволн во Вселенной не заканчивается. При столкновении с черными дырами они поглощаются ими. Из-за этого масса черных дыр — темной материи нашей Вселенной — постепенно растет. Когда она становится достаточно большой, расширение пространства-времени тормозится, а затем и превращается в свою противоположность — сжатие.

Иными словами, эволюция Вселенной-феникса чем-то похожа на работу колоссального маятника. Когда маятник движется вверх, его кинетическая энергия превращается в потенциальную. И скорость движения вверх постепенно падает — а затем сменяется движением вниз.

Вселенная, по мере своего расширения, превращает энергию гравиволн в массу — до тех пор, пока массы не становится так много, что расширение сменяется сжатием. В конце цикла сжатия масса сливающихся черных дыр частично превращается в гравитационные волны, отчего цикл сжатия сменяется резким, взрывообразным расширением (Большим взрывом).

Все это очень интересно, но как это проверить?

Научная теория должна быть проверяемой. Идея суперструн в свое время имела очень много поклонников среди физиков, но их число резко сократилось, когда выяснилось, что из нее нельзя сделать никаких предсказаний. Чтобы потом проверить, верны они или нет — и подтвердить или опровергнуть теорию.

Авторы новой статьи полагают, что значительная часть наблюдений, способных подтвердить их теорию, уже проведена. С помощью вычислений они показывают, что в их модели образуется примерно то количество черных дыр звездных масс (то есть, легче ста Солнц), которые могло бы объяснить их частые слияния, регистрируемые LIGO. Да, такие дыры часто сливаются, но все равно их число от цикла к циклу растет, и поэтому может быть куда больше, чем если бы Вселенная была «одноразовой». Да, получить сто секстиллионов ЧД из ста секстиллионов звезд нельзя, но если основная часть ЧД — из прошлых циклов Вселенной-феникса, то их многочисленность вполне понятна.

Количество сверхмассивных черных дыр (массивнее миллиона Солнц), оставшихся от прошлых циклов, в их модели тоже близко к наблюдаемому. Сегодня считается, что сверхмассивных черных дыр примерно столько же, сколько и крупных галактик во Вселенной — около ста миллиардов. Опять-таки, в рамках существовавшей ранее космологии нельзя объяснить, откуда взялись миллиарды очень крупных ЧД уже в ранней Вселенной — а в модели Горькавого-Тюльбашева можно.

Но этого, конечно, недостаточно. Подогнать модель под уже наблюдаемые результаты можно, даже не заметив подгонки (бессознательно). Нужны именно предсказания – что-то такое, что науке еще неизвестно, но что следует из модели и может быть проверено астрономами в новых наблюдениях.

Авторы новой работы считают таким предсказанием тезис о наличии в гало галактик темных шаровых скоплений черных дыр звездной массы. Они заключают: «Изучение по астрометрическим каталогам (и данным Gaia) движения звезд [за пределами нашей Галактики] поможет найти темные шаровые скопления в диске Галактики».

Логика тут понятна: проходя между Землей и звездой другой галактики, темные шаровые скопления хотя и редко, но будут создавать гравитационную линзу, которую будет просто отличить от других участков неба.

В комментарии для Naked Science Николай Горькавый отметил:

Нейтронные звезды: еще одно наследие прошлой Вселенной?

Еще одно необычное предсказание модели Горькавого-Тюльбашева – реликтовые нейтронные звезды. Авторы отмечают, что энергия гравитационной связи на один нуклон (частицу ядра атома) для нейтронной звезды будет в районе 100 мегаэлектронвольт. Собственно, тут нет ничего удивительного: плотность вещества нейтронной звезды такова, что заполненный им спичечный коробок весил бы три миллиарда тонн, в связи с чем и сила тяжести в 200 миллиардов раз превосходит земную.

Поэтому даже при нагреве гамма-квантами реликтового излучения сжимающейся Вселенной до ста миллиардов градусов такие нейтронные звезды не будут уничтожаться полностью. Но часть их массы в ходе обстрела гамма-квантами все же может быть потеряна. Эти реликтовые нейтронные звезды могут «худеть» от исходной массы до 0,1-0,2 солнечных. За счет уменьшения массы снизится и сжатие вещества нейтронной звезды: по диаметру она будет в несколько раз больше обычной.

Это достаточно интересное предсказание, которое, на первый взгляд, не проверить. В самом деле: нейтронные звезды от прежних циклов Вселенной-феникса будут остывшими и давно перестанут иметь быстрое вращение и излучение, позволяющее обнаруживать часть обычных нейтронных звезд. И все же способ найти их есть. Такие нейтронные звезды иногда могут сливаться между собой, как во время события GW170817, зарегистрированного LIGO в 2017 году.

Порожденные им гравитационные волны прошли 130 миллионов световых лет, прежде чем достигли нашей планеты. Анализируя разницу в приходе гравитационных волн в различные части Земли, можно выяснить параметры сливающихся нейтронных звезд. Если они будут заметно меньше нормы, возникнут серьезные основания подозревать, что сливаются не нейтронные звезды из нашей эпохи, а именно реликтовые объекты, пережившие Большой взрыв.

Кстати, одна из нейтронных звезд в событии GW170817, скорее всего, имела массу между 0,86 и 1,36 масс Солнца. Это заметно меньше, чем у подавляющего большинства нейтронных звезд, и это ниже предела Чандрасекара — того порога массы, после которого компактный объект может стать нейтронной звездой. Нейтронной звезде очень сложно потерять массу — как мы уже упоминали, ее гравитация в сотни миллиардов раз сильнее земной. Если у объекта, для образования которого нужно 1,38 масс Солнца (предел Чандрасекара), масса почему-то стала заметно меньшей — повод задуматься о том, не реликтовую ли нейтронную звезду зарегистрировала LIGО в 2017 году.

Есть и чуть отличающийся сценарий обнаружения реликтовых нейтронных звезд – в их слияниях с черными дырами. Только в январе 2020 года LIGO зафиксировала сразу два таких события. В данном случае речь шла о крупных нейтронных звездах, но если продукт слияния будет менее массивным — это вновь повод задуматься о том, не идет ли речь о гибели реликта из прошлой Вселенной.

Кроме того, авторы полагают, что реликтовые нейтронные звезды можно обнаружить в числе так называемых «странных» пульсаров. Среди них — и просто «медленные» пульсары с большим периодом радиосигналов, доходящих до земного наблюдателя. Есть там и «вращающиеся радиотранзиенты». Это что-то типа пульсаров с большими и часто неодинаковыми (все время разными) периодами между сигналами. На сегодня этих экзотических объектов известно около ста и понятны они до сих пор были очень плохо. Авторы новой работы считают, что большие периоды и неправильность их сигналов ожидаемы для реликтовых нейтронных звезд, уже потерявших почти всю свою исходную энергию вращения (именно эта энергия подпитывает излучение пульсаров).

Насколько это так, понять пока сложно. Однако по логике реликтовые нейтронные звезды из прошлых Вселенных часто находились бы в галактических гало — как и темная материя (реликтовые черные дыры). Почти половина известных нейтронных звезд-пульсаров — медленно вращающиеся, с периодом не ниже 0,5 секунды. При этом они действительно 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. Да и скорость их движения много выше — около 150 километров в секунду.

«Медленные» нейтронные звезды из галактического гало действительно кое в чем похожи на гипотетические реликтовые нейтронные звезды Горькавого и Тюльбашева. Нейтронная звезда образуется на месте взрыва сверхновой, который редко бывает идеально симметричным. Поэтому от нереликтовой нейтронной звезды логично ожидать больших скоростей движения. Реликтовая же нейтронная звезда прошла за свою жизнь через довольно плотные среды, и логично, что она постепенно теряла свою скорость — у нее для этого были как минимум десятки миллиардов лет.

Еще одно предсказание новой работы: реликтовые нейтронные звезды с массой в 0,1-0,2 солнечных могут входить в двойные системы из обычной звезды и реликтовой нейтронной. Такие системы будут выглядеть как стандартная звезда, у которой есть практически невидимый компаньон, массой в 0,1-0,2 солнечных. «Массовое обнаружение таких систем будет статистически свидетельствовать» в пользу их существования, отмечают авторы. Это особенно важно потому, что большую часть реликтовых нейтронных звезд вряд ли можно будет обнаружить как пульсары: самые старые из них просто не будут иметь нужной энергии вращения. Они банально потеряют ее за сотни миллиардов лет своей «жизни».

Конец света будет падением в черную дыру гигантских размеров?

Ключевая особенность модели: она показывает наличие где-то во Вселенной огромной черной дыры. Намного более массивной, чем любая из уже открытых сверхмассивных черных дыр. Она должна быть настолько огромной, что в конечном счете поглотит всю Вселенную, включая, само собой, Землю и каждого из нас.

Надо понимать, что речь не идет о какой-то катастрофе, конце света в эсхатологическом смысле этого слова. Падение в черную дыру грозит спагеттификацией и смертью, только если дыра маленькая – звездных масс. Уже попадание в сверхмассивную черную дыру не грозит вам спагеттификацией. Ведь она такая большая, что разность действия приливных сил на вашу голову и ноги будет незначительной — и «превращать в спагетти» падающего в нее человека она не будет.

Скорее всего, попадание в такой объект для большинства из нас пройдет не только безболезненно, но и незаметно. Только астрономы заметят, что сперва — миллиарды лет подряд — красное смещение в далеких галактиках будет постепенно исчезать. Это будет означать приближение границы Главной черной дыры. Затем оно вдруг сменится голубым — Вселенная из расширяющейся станет сжимающейся. Собственно, это будет главным признаком того, что нас поглотила черная дыра.

К сожалению, из этого не следует, что земная цивилизация в итоге этого процесса выживет. Да, 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.

Но конец в любом случае наступит. Сперва ночное небо станет таким горячим, что на поверхностях всех планет погибнет жизнь. Потом горячей — сто миллиардов градусов! — станет вообще вся стремительно съеживающаяся Вселенная.

Человек — не нейтронная звезда. Гамма-кванты реликтового излучения в конце уничтожат все обычные атомы, и пережить цикл сжатия Вселенной-феникса у нас не выйдет. Возможно, какой-то выход из этой ситуации и есть, но пока о нем ничего не известно.

С другой стороны, наших читателей эти события вряд ли застанут. Так что беспокоиться о них придется нашим далеким потомкам. Это если они доживут до столь далеких времен, что, конечно, тоже не факт. Впрочем, перефразируя известного персонажа, Новый год тоже всегда подкрадывается неожиданно. И до самого последнего момента кажется, что до него еще полно времени.

Что из всего этого следует?

Содержание новой статьи серьезно напоминает попытку революции в космологии. Пожалуй, это первая теория нашей эпохи, предлагающая логичное и связное объяснение того, что такое темная материя и темная энергия. Первой оказываются реликтовые черные дыры, второй, по сути, не существует. Аналогичный ей «расталкивающий» эффект дало воздействие Главной черной дыры..

Новая концепция позволяет понять и то, почему скорость расширения Вселенной вдали от нас (наблюдения «Планка» за реликтовым излучением огромной древности) меньше, чем вблизи (наблюдения «Хаббла» за звездами в окрестностях Галактики). В самом деле, если расширение Вселенной дала потеря ею в прошлом массы, то в далеком прошлом скорость расширения явно должна была отличаться от той, что наблюдается сегодня. Равенства этих скоростей требует только концепция темной энергии. Но в новой космологической модели темной энергии нет, отчего и такое требование снимается.

Дополнительные сильные стороны концепции: она объясняет главную загадку формирования галактик. Ученые уже не первый год отмечают, что галактики не смогли бы возникнуть без сверхмассивных черных дыр в центрах. И эти дыры там наблюдаются астрономами уже в первые сотни миллионов лет существования Вселенной — причем масса их достигает миллиардов солнечных. Новая модель предлагает вполне естественное решение вопроса «откуда взялись эти черные дыры?»

Оно такое же, как и для темной материи из черных дыр звездных масс: ими нас снабдили ранние Вселенные, существовавшие на месте нашей до Большого взрыва. Кстати, из этого вытекает, что в самой первой Вселенной заметного количества галактик не было: не было «затравки» в виде огромных черных дыр, своим тяготением собирающим газ в галактики.

От плюсов новой работы стоит перейти к ее минусам.

Работа Горькавого и Тюльбашева вряд ли вызовет — и это мы выразились еще очень мягко — быстрое и широкое принятие ее тезисов основной массой ученых. Для этого она слишком отличается от стандартной космологической модели «одноразовой Вселенной». Идея о сотнях циклов расширения и сжатия Вселенной сама по себе не слишком нова — еще Георгий Гамов, предсказавший реликтовое излучение, считал мироздание именно таким.

Но вот механизмы, предложенные Горькавым и Тюльбашевым, крайне необычны и непривычны для слуха: сжатие Вселенной — за счет набора массы черными дырами; ее расширения — за счет сброса массы теми же черными дырами, излучающими гравиволны. Это, бесспорно, новый шаг в космологии. Настолько новый, что основная часть физиков не задумывалась о подобных вещах в принципе. Дело доходит до того, что противники этой идеи даже не в курсе хрестоматийного мнения Эйнштейна, что гравитационные волны не имеют массы. Такие ученые всерьез утверждают, что потеря общей массы Вселенной поэтому невозможна: мол, масса черных дыр просто превратится в массы гравиволн и ничего не поменяется.

Есть и еще одна проблема: теория Горькавого-Тюльбашева, по сути, может закрыть такие направления науки, как поиски вимпов, темной энергии и теории квантовой гравитации. История науки не знала примеров, когда сторонники вытесняемых из мэйнстрима научных идей добровольно признавали бы их устарелость и меняли свои взгляды сами. Сомнительно, что в этот раз мы увидим какую-то другую реакцию.

И, наконец, последняя проблема новой работы: ее относительно сжатый размер. Современная наука опирается на формат журнальных публикаций, которые по необходимости очень коротки. Из-за краткости изложить понятным для остальных ученых образом можно разве что какой-то небольшой результат. Действительно, крупные результаты понятно объяснить на четырех-пяти страницах стандартной статьи невозможно.

Мы уже не раз отмечали, что специализация в современной науке достигла таких масштабов, что на работу теоретиков даже физики-экспериментаторы часто смотрят с изумлением, но без понимания. В таких условиях требуется объяснять — и не по разу — буквально каждый тезис новой теории.

Да, работа Горькавого и Тюльбашева в несколько раз больше стандартных размеров. Но вряд ли ее будет достаточно, чтобы другие физики вполне осознали эту концепцию целиком. Здесь нужна книга — научная монография – причем написанная достаточно популярно, чтобы даже те физики, что не являются гравитационистами, могли понять, почему гравиволны не имеют массы, как Вселенная могла существовать сотни циклов подряд и отчего альтернативные объяснения темной материи и темной энергии в настоящий момент действительно выглядят довольно слабо.