Пульсирующая Вселенная - Николай Николаевич Горькавый

3 масс Солнца в гравитационное излучение сразу перевело вопрос о природе гравитационной энергии в разряд актуальных проблем. Потому что слияний черных дыр во Вселенной может быть очень много, следовательно, переход значительной доли их массы в гравитационные волны должен учитываться при построении космологических моделей, как резонно отметил в 2018 году нобелевский лауреат Филип Андерсон.

В декабре 2015 года LIGO зарегистрировал гравитационную волну от еще одного слияния черных дыр, после чего всплески гравитационного излучения стали регистрироваться регулярно.

Официальное сообщение об открытии гравитационных волн детекторами LIGO было сделано 16 февраля 2016 года на пресс-конференции, на которую собралось множество журналистов и ученых.

Кипу Торну, Райнеру Вайссу и Берри Беришу за обнаружение гравитационных волн на детекторах LIGO была присуждена Нобелевская премия по физике за 2017 год. К 2022 году детекторы LIGO зарегистрировали 90 всплесков гравитационных волн, многие из которых были подтверждены французско-итальянским детектором Virgo, расположенным в Италии и имеющим трехкилометровые плечи. В программу наблюдения гравволн включились японский детектор KAGRO и британо-немецкий инструмент GEO600. В марте 2023 года гравитационные детекторы, пройдя очередную модернизацию, начали новую серию наблюдений. Чувствительность новых версий гравитационных детекторов такова, что они могут регистрировать в неделю около 5 событий слияний черных дыр (и нейтронных звезд). Буквально на наших глазах рождается гравитационно-волновая астрономия, которая кардинально меняет представления о Вселенной.

Результаты LIGO не просто подтвердили предсказанные ОТО гравитационные волны. Они принесли много неожиданного. LIGO поразили ученых частотой регистрируемых событий: оказывается, в космосе существует большое количество невидимых черных дыр! При этом их типичная зарегистрированная масса оказалась в десятки масс Солнца, или в несколько раз больше, чем у обычных дыр звездных масс, наблюдаемых в двойных звездных системах с аккреционными дисками. Сразу несколько авторов (А. Кашлинский, С. Берд, А. Рисс и др.) выдвинули в 2016 году предположение, что темная материя состоит из большого количества черных дыр звездных масс. В качестве объяснения темной материи черные дыры обладают, по сравнению с ВИМПами, следующими преимуществами:

1. Черные дыры существуют — в полном соответствии с предсказанием ОТО и современными наблюдениями.

2. Они настолько темны, что их прямое наблюдение действительно очень затруднительно. Их находят лишь по свечению аккреционных дисков (которые возникают, только если черная дыра входит в двойную систему со звездой или поедает целые звезды в центре галактик), по излучению гравитационных волн (метод стал доступен только с 2015 года) и по гравитационному линзированию.

3. Черные дыры, возникшие в результате коллапса звезд, логично имеют небольшие скорости, сопоставимые со скоростями, например, шаровых скоплений в гало галактик.

4. У черных дыр столь малый размер или сечение рассеяния, что два галактических гало из черных дыр при столкновении будут взаимодействовать практически только гравитационно — в отличие от газовых составляющих галактик. Это объясняет феномены типа скопления Пули (см. илл. 5 и 6).

Но откуда взялось такое количество черных дыр? Обычные модели звездной эволюции не могут это объяснить. Еще одной проблемой является большое количество сверхмассивных черных дыр, которые расположены в центрах галактик и, как сейчас считают многие ученые, могут отвечать за их образование.

Чтобы объяснить наблюдаемое распределение черных дыр по массам, все больше физиков обращаются к гипотезе о первичных черных дырах, которые формируются из флуктуаций плотности в процессе Большого взрыва. Эта идея обсуждается с 1960-х годов (см. труды С. Хокинга, Я. Б. Зельдовича, И. Д. Новикова, А. Д. Долгова).

Смелую гипотезу выдвинули в 2011 году британец Бернард Карр (B. Carr) и Алан Коли (A. Coley) из Канады. Они предположили, что черные дыры могут попадать к нам из предыдущего цикла Вселенной, потому что черные дыры — это такие макроскопические объекты, которые могут пережить коллапс мира и, пройдя через огненную фазу максимально сжатой Вселенной, попасть в следующий цикл ее жизни. Будем называть эти дыры из прошлых циклов реликтовыми, чтобы отличить от гипотетических первичных дыр, которые могут образовываться в момент Большого взрыва из флуктуаций.

Итак, темная материя, которой в пять раз больше, чем обычного газа и звезд, все еще остается загадкой, которую предстоит решить. И все больше ученых склоняется к мнению, что решение надо искать среди уже открытых черных дыр, а не среди гипотетических (и чрезвычайно неуловимых) элементарных частиц.

Гравитация Вселенной зависит как от массы вещества, так и излучения. Но в процессе расширения Вселенной до радиуса R плотность космического вещества падает как 1/R³, а плотность энергии излучения уменьшается как 1/R⁴ благодаря дополнительному эффекту Доплера, который вызывает красное смещение 1/R у любой волны в расширяющейся Вселенной.

Еще Р. Толмен предполагал необходимым построение модели Вселенной с переменной массой вещества. Он писал в 1934 году: «...было бы желательно допустить некоторые изменения собственной массы вещества, заключенной внутри модели, так как изменения подобного рода в реальной Вселенной, по-видимому, происходят».

Космологическая модель с переменной массой рассматривалась также Ф. Хойлом.

Вопрос о построении моделей Вселенной с переменной массой приобрел особую актуальность после открытия LIGO огромной популяции черных дыр. Ведь если темная материя образована из черных дыр, то это фактически означает, что они являются основной гравитирующей компонентой Вселенной. Это одновременно повышает значимость гравитационного излучения, на которое тратится заметная доля массы сливающихся дыр.

Существует мнение, что гравитационное излучение благодаря низкой эффективности взаимодействия с материей не может играть заметной роли в космологии. Это неверно.

Важность гравитационных волн в космологии определяется не их прямым воздействием на вещество, а тем, что фон гравитационного излучения может служить энергетическим резервуаром Вселенной. При взаимодействии с этим фоновым «аккумулятором» черные дыры могут набирать свою энергию и массу, а при взаимных слияниях — сбрасывать свою массу в этот резервуар. А переменность массы черных дыр, которые могут быть главным конструкционным материалом нашего мира, непосредственно влияет на динамику Вселенной. Если гравитационное излучение не имеет гравитационной массы, то его во Вселенной может быть очень много — в виде накопленного фонового излучения. По энергии (или, точнее, псевдоэнергии) эта компонента может доминировать во Вселенной. Подтверждение существования мощного фона гравитационных волн наногерцового диапазона получено в 2020–2021 годах радиотелескопами NANOGrav и PPTA.

Если с детекторами типа LIGO гравитационные волны взаимодействуют слабо и отдают им только часть своей псевдоэнергии, то с черными дырами гравитационные волны взаимодействуют с максимальной, 100 %-ной эффективностью. С точки зрения внешнего наблюдателя, падение гравитационной волны на черную дыру выглядит как сложное взаимодействие стационарного гравитационного поля дыры и переменного гравитационного поля волны, которое, в конечном счете, сливается с полем дыры, усиливая его. С точки