Темная материя и энергия провалились в черную дыру

Объяснить черты наблюдаемой части космоса на основании только видимой его части нереально. Что-то невидимое заставляет «края» галактик вращаться с большей скоростью, чем «положено»; другая «невидимая рука», кажется, растягивает пространство-время во все стороны все быстрее и быстрее (ускоряющееся расширение Вселенной). За открытие этих фактов уже успели многажды выписать Нобелевские премии, а на поиски соответствующих «темных сил» ушли миллиарды долларов. Но есть нюанс: вполне вероятно, никаких частиц темной материи на самом деле не существует, а ускоряющееся расширение Вселенной и вовсе может оказаться иллюзией. Невидимая масса, раскручивающая галактики, — это множество черных дыр средних размеров, а кажущееся ускорение расширения обеспечивает гигантская черная мегасверхдыра. Но — обо всем по порядку.

Очень темные дела

Еще в 1884 году лорд Кельвин обратил внимание на странный факт: звезды во внешних областях диска нашей Галактики вращаются вокруг ее центра куда быстрее, чем должны были бы, судя по расчетам. Такое возможно, если их «раскручивает» гравитация какой-то массы, лежащей еще дальше, там, где кончаются звезды и начинается межгалактическое пространство. Но что лежит там, где кончаются звезды, понять не удавалось. Известнейший французский математик Анри Пуанкаре, обсуждая этот вывод Кельвина, в 1906 году впервые употребил словосочетание «темная материя». Последующие сто лет подтвердили: практически во всех наблюдаемых галактиках картина та же.

Гипотез о том, что именно составляет темную массу, было много, но большинство из них плохо совместимо с наблюдаемой Вселенной. Со временем была выбрана одна — о «холодной темной материи», теоретически состоящей из массивных частиц (вимпов), не взаимодействующих с фотонами света. Причем в такой гипотезе масса вимпов должна быть в несколько раз больше, чем всего обычного, барионного, вещества. Это хорошо объясняло и невидимость темной материи, и ее мощное воздействие на галактические диски.

При всех позитивных свойствах вимпов у них есть и существенный недостаток: их оказалось абсолютно невозможно найти в экспериментах. Крупные и дорогие ускорители давно показали: если такие частицы и есть, то их размер так мал, что обнаружить их по влиянию на другие частицы нереально. Сечение вимпов, согласно таким экспериментам, не может быть заметно больше метра, что на десять порядков меньше планковской длины. А планковская длина — это вообще предел расстояния, меньше которого сами понятия пространства и длины перестают иметь какой-либо смысл. Любая попытка исследовать меньший по размеру объект (менее 1,6⋅ метров) потребует столкновения частиц высоких энергий, что неизбежно закончится рождением черной дыры: вместо того чтобы дробить частицы на более мелкие кусочки, это приведет к «слипанию» частиц в ничтожно малую ЧД. А жаль — вимпы выглядели отличной, логичной гипотезой.

Сходная история случилась и с темной энергией. Есть два хороших способа измерения расстояния до галактик: по закону Хаббла (расстояние пропорционально красному смещению, удлинению световых волн, дошедших до нас от далекой галактики) и по «стандартным свечам», сверхновым типа Ia. Такие сверхновые в теории взрываются при достижении одной и той же пороговой массы, то есть их яркость практически одинакова. Глядя на их видимую нам яркость и соотнося ее с положенной такой сверхновой энергией взрыва (прямо связанной с массой), легко высчитать, каково же расстояние до далекой галактики. Но два эти способа, как оказалось, дают противоречащие друг другу результаты. В удаленных галактиках, расстояние до которых было определено по закону Хаббла, сверхновые типа Ia имеют яркость ниже «положенной»! То есть каким-то образом расстояние, которое прошли фотоны от вспышек этих сверхновых, оказалось больше, чем должно быть, — как будто пространство между нами растянулось, и вместе с ним растянулись (став «краснее», то есть длиннее) и световые волны от этих вспышек. Эти наблюдения интерпретировали как ускоряющееся расширение Вселенной, и за это открытие успешно дали Нобелевскую премию.

Осталось выяснить сущую малость: что именно растягивает пространство-время и заставляет Вселенную двигаться с ускорением. В настоящий момент считается, что это некая расталкивающая все и вся темная энергия с плотностью порядка  г/см³. Но при такой плотности обнаружить ее в эксперименте не приходится и мечтать. Как же изучать то, что в лаборатории изучать нельзя? Правильно, чисто теоретически. Все попытки ограничить свойства темной энергии наблюдением за крупными структурами Вселенной пока не дали серьезных результатов. Поэтому ее считают то энергией вакуума, то частицеподобным возбуждением некоего динамического скалярного поля («квинтэссенция»), то чем угодно еще. Однако, когда от гипотез переходят к расчетам, получается один сумбур. Если темная энергия суть энергия вакуума (наименее сложная гипотеза), то ее должна предсказывать квантовая теория поля. Но значение энергии вакуума, которое она предсказывает, на 120 порядков больше, чем то, что следует из наблюдений за ускоряющимся расширением Вселенной. Это настолько большой разрыв, что даже обсуждать здесь нечего: такое объяснение выглядит нереалистично.

Темная энергия «по-черному»

Около 2003 года физик Николай Горькавый, до того занимавшийся чисто «гравитационными» проблемами — типа колец Урана и его спутников, существование ряда из которых он предсказал по форме колец и до их открытия астрономами, — попробовал подойти к «темным материям» с другой стороны. Отталкиваясь от «гравитационного» видения мира, исследователь решил выяснить, каким может быть влияние черных дыр самых разных размеров на окружающую нас Вселенную. Особенно его заинтересовали процессы слияний ЧД, при которых значительная часть массы их обеих превращается в гравитационные волны (колебания пространства-времени). Если сами ЧД вполне притягивают к себе материю, то гравитационные волны этого не делают. Таким образом, получается, что в слияниях черных дыр масса как бы «исчезает», а на деле превращается в энергию гравиволн.

Николай Горькавый, астрофизик и русский писатель-фантастФото: Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0

Исходя из этой модели, ученый обратился к выдвинутой еще создателем термина «Большой взрыв» Георгием Гамовым гипотезе о том, что Вселенная расширяется и сжимается циклически. Согласно расчетам Горькавого и его соавтора Василькова, получается, что при сжатии в конце каждого цикла существования Вселенной черные дыры слипаются во все более крупные объекты, попутно поглощая «мелочь» типа звезд и планет. В каждом таком слиянии лишь считанные проценты их массы превращаются в энергию гравиволн, но поскольку таких слияний очень много, то в конце значительная доля массы Вселенной превращается в энергию гравиволн. В этот момент происходит как бы скачок: в короткое по астрономическим меркам время исчезновение значительной массы сжимающейся Вселенной порождает не воронку гравитационного потенциала, а пик этого потенциала, который и вызывает разлет остальной части Вселенной во всех направлениях.

Со стороны это будет выглядеть именно как взрыв, при котором обломки летят в разные стороны. Именно так, в рамках гипотезы Горькавого и Василькова, цикл сжатия прежней Вселенной сменился циклом расширения нынешней Вселенной.

Казалось бы, при чем тут вообще темная материя и темная энергия? На деле связь самая прямая. Во-первых, в конце серии слияний ЧД из прошлой Вселенной должна была возникнуть самая крупная из всех черных дыр. Естественно, такая дыра имеет огромное влияние на окружающее ее пространство-время. Поглощая энергию гравиволн, она продолжит быстро наращивать свою массу, дополнительно усиливая свое гравитационное поле.

В итоге гравитация от нее будет настолько мощной и быстро усиливающейся, что первые ранние галактики Вселенной, разлетающиеся в стороны, в определенный момент почувствуют нарастающее торможение: те из них, что ближе к древней гипермассивной черной дыре, будут замедляться, а те, что дальше, продолжат лететь с меньшим замедлением. За счет этого фотоны от более далеких галактик будут казаться «краснее», чем они есть, а значит, и красное смещение от далеких объектов будет отличаться от ожидаемого. 

Как известно, расстояние до далеких галактик определяют именно по красному смещению. Так что его «корректировка» гипермассивной черной дырой создаст у земного наблюдателя иллюзию ускоряющегося расширения Вселенной, несмотря на то что на практике такого ускоряющегося расширения не будет. В модели Горькавого Вселенная, разумеется, тоже расширяется, но без реального нарастающего ускорения. Итак, мы нашли неплохого кандидата на роль темной энергии — гипермассивную черную дыру. Что важно, корректность такого сценария — и само существования такой огромной древней ЧД — вполне можно проверить с помощью наблюдений, чего не скажешь о темной энергии в рамках гипотезы о том, что она суть энергия вакуума.

Темная материя «по-черному»

В рамках подобной «космологии отскока» по-другому начинают выглядеть не только дальние дали, но и окрестности нашей собственной Галактики. Если сразу после Большого взрыва почти вся масса прежней Вселенной превратилась в гравиволны, то их энергия должна доминировать в окружающем нас пространстве до сих пор. По расчетам из последней статьи Горькавого, Вселенная примерно на 99% состоит из древних, реликтовых гравитационных волн и на ~1% — из черных дыр, барионов и других частиц. Между тем черные дыры поглощают гравиволны, и при этом энергия таких волн снова превращается обратно в массу ее ЧД-уловителей. Хотя энергичнее всего наращивать массу будет древняя гипермассивная дыра, кроме нее во Вселенной еще от прошлого цикла должен был остаться и набор менее массивных ЧД. Часть из них станет «семенами» для тех черных дыр, что астрономы сегодня называют сверхмассивными и что лежат в центрах галактик, включая и наш Млечный Путь.

Но будет и много других черных дыр — промежуточных масс, некогда образовавшихся в ходе коллапса звезд, а затем быстро набиравших массу за счет окружающей материи и гравитационных волн. Многие из них окажутся за пределами видимого диска галактик, где скапливался газ, из которого и образуются видимые звезды. Их тяготение будет раскручивать периферийные районы видимых галактических дисков и тем самым играть роль темной материи.

До модели Горькавого предположение о том, что темная материя суть черные дыры на окраинах галактик, уже выдвигалась. Но особой популярностью не пользовалась. Дело в том, что черные дыры должны образовываться из звезд, а вне галактических дисков таких звезд просто не могло быть много — значит, и ЧД там много быть не может. В «космологии отскока» все иначе: черные дыры из прошлых циклов сжатия и расширения Вселенной вполне могут концентрироваться на окраинах галактик, где никогда не было звезд. Ведь такие дыры образовались из звезд не в этом цикле существования Вселенной, а намного раньше.

Плюсы и минусы

Конечно, такая гипотеза по своему размаху куда шире более ранних гипотез о вимпах или темной энергии, поэтому с ее помощью можно объяснить много больше вещей, что, несомненно, плюс.

Возьмем барионную асимметрию Вселенной. Как известно, мы видим вокруг себя много обычного вещества и почти не видим антивещества. Если бы их было поровну, атомы аннигилировали бы с антиатомами и всю Вселенную наполнили бы фотоны без всяких атомов вообще. Очевидно, почему-то обычного вещества с самого начала было куда больше, чем антивещества. Сейчас физика считает это одной из по-прежнему нерешенных проблем.

В рамках модели Горькового ситуация совсем иная. Циклическая Вселенная предполагает большое (или даже очень большое) количество космологических циклов, что значительно упрощает решение проблемы «перевеса» обычного, барионного, вещества над антивеществом. В циклической Вселенной очень много времени: барионы могут потихоньку накапливаться в каждом цикле, а антивещества, исчезающего за счет аннигиляции с обычным веществом, напротив, будет все меньше.

Другой крупный плюс гипотезы — отсутствие нужды в вимпах, которые, честно сказать, никто не видел ни в каком эксперименте, равно как и в темной энергии, которую, благодаря ее низкой гипотетической плотности, никто с самого начала и не надеялся увидеть. Модель Горькавого нуждается только в общей теории относительности, весьма неплохо доказанной на сегодняшний день, да еще в детекторе гравиволн, чтобы зарегистрировать те высокочастотные гравиволны, что в рамках циклической космологии должны составлять основную часть энергии Вселенной. Увы, существующая система детекторов LIGO оптимизирована для улавливания низкочастотных гравиволн и для такого поиска не подходит. Но чем меньше длина и выше частота волны, тем более ее энергия, то есть найти следы прошлого цикла можно будет с помощью более компактных детекторов, чем та же LIGO.

Минусы у гипотезы тоже есть, но во многом они носят не физический, а психологический характер. Модель вимпов, темной материи из неизвестных частиц, равно как и темной энергии неясной природы, слишком сильно укоренилась в сознании многих исследователей, примерно как концепция эфира в XIX веке. К тому же так же, как и с эфиром, считавшимся «неощутимым для вещества», в силу «неощутимости» (недоступности для экспериментального исследования) ТМ и ТЭ настаивать на их существовании можно довольно долго: сложно опровергнуть существование чего-то неосязаемого. Да и слишком много усилий было потрачено на поиски ТМ/ТЭ — психологически будет довольно тяжело признать все это заблуждением по типу того же эфира. К счастью, в конечном счете в физике все довольно просто: если высокочастотные гравиволны, предсказанные моделью Горькавого, будут найдены, похоронить вимпы и темную энергию, следы которых найти так и не удалось, так или иначе, но придется.