Вселенная: новая модель

Открытие гравитационных волн в 2016 году дало новый толчок космологии: пересмотр старых теорий, зарождение новых. В прошлом номере журнала мы обещали обсудить удивительную модель, по которой Вселенная на 99% состоит из гравитационных волн, а на оставшийся 1% — из черных дыр, барионов и фотонов с примесью других частиц. Насколько эта теория реальна и что думают об этом ученые, читайте в нашем материале.

Гравитационно-волновая революция

В 2016 году произошла научная революция: стало известно о регистрации гравитационных волн с частотой в десятки герц. Это был ожидаемый в рамках теории Эйнштейна результат, который содержал и неожиданное: черные дыры, порождающие при слиянии гравитационные волны, оказались более многочисленными, чем полагалось ранее. Сразу появилась статья Симеона Бёрда с соавторами, куда входит нобелевский лауреат Адам Рисс, о том, что обнаруженная популяция черных дыр и является таинственной темной материей. Эта модель набирает популярность, вписываясь в требование основываться только на известных компонентах Вселенной.

Идея, что основная гравитирующая масса Вселенной спрятана в черных дырах, может оказаться путеводной нитью, которая выведет космологию из лабиринта, населенного волшебными квантовыми джиннами. Включим новую популяцию черных дыр в гамовскую модель отскока — и сожмем Вселенную до размера в десяток световых лет. В такой тесноте черные дыры начнут лавинообразно сливаться, уменьшая свою суммарную массу и переводя ее в гравитационные волны. В ходе этих слияний неизбежно возникнет самая Большая Черная Дыра и появится облако гравитационных волн с огромной энергией.

Вспомним разные интерпретации «ненастоящей» энергии гравитационного поля: одни ученые думают, что гравитационная масса Вселенной от генерации гравитационных волн не изменяется, другие — что она уменьшается. Последняя трактовка выглядит многообещающе, хотя отпугивает тех, кто видит здесь нарушение закона сохранения энергии (на самом деле, закона сохранения гравитационной массы не существует, ведь закон сохранения энергии относится к инертной массе). Что происходит со Вселенной, гравитационная масса которой уменьшается?

Антигравитация худеющей Вселенной

Польский ученый Марек Кутчера в 2003 году получил модифицированную метрику Шварцшильда для переменной гравитационной массы взрывающейся звезды. Аналогичная метрика пространства-времени для системы, генерирующей гравитационные волны, была опубликована мной совместно с Александром Васильковым (ведущий научный сотрудник компании Science Systems and Applications, выпускник ФАКИ МФТИ — прим. ред.) в журнале Королевского общества (MNRAS) в 2016 году. Для этой метрики было вычислено гравитационное ускорение и показано, что, согласно решению эйнштейновских уравнений, быстрое уменьшение массы Вселенной генерирует мощную отталкивающую силу, которая может превосходить гравитационное притяжение.


Расширение Вселенной

Антигравитация оказывается классической гравитационной силой, только возникает она при выворачивании потенциала пиком вверх — из-за уменьшения гравитационной массы и конечной скорости распространения изменения гравитации. Логично предположить, что эта антигравитация и вызывает Большой Взрыв: расширение огненного шара сжатой Вселенной, состоящего из гамма-квантов, гравитационных волн, барионов, нейтрино и уцелевших черных дыр, включая Большую Черную Дыру, которая, при всей своей величине, занимает в момент рождения малую часть объема сжатой Вселенной. Это ключевой момент.

Проблема Большого Взрыва — главная для космологии отскока. Оказывается, если во Вселенную добавить достаточное количество сливающихся черных дыр, то они могут сработать лучше любой взрывчатки и вызвать гравитационный потенциал с наклоном наружу. Возникновение отталкивающего потенциала хорошо изучено на примере слияния двух неодинаковых черных дыр. Возникшая в результате суммарная черная дыра скатывается по остаточному отталкивающему потенциалу и с большой скоростью улетает от точки слияния. В 2003 году я показал в бюллетене Американского астрономического общества, что отталкивающая сила возникает даже в ньютоновской гравитации, если учесть переменную гравитационную массу и конечную скорость распространения поля. В результате, кроме классического притяжения, возникает дополнительное слагаемое, описывающее или «антигравитацию» при уменьшении массы тела, или «гипергравитацию» при ее увеличении. Новая релятивистская сила зависит от скорости света и падает с расстоянием как 1/R — гораздо медленнее, чем ньютоновское ускорение 1/R2. Поэтому новая сила становится доминирующей на космологических расстояниях.

Гипергравитация как темная энергия

На фазе расширения Вселенной слияние дыр почти прекращается, и они начинают расти, поглощая все вокруг, включая реликтовое гравитационное излучение. У черных дыр маленькие рты (то есть площадь поверхности), поэтому они толстеют медленно, но Большая Черная Дыра исключение: у нее огромная пасть — и она обгоняет в росте все остальные дыры. Она переводит «ненастоящую» нетензорную энергию гравитационных волн в настоящую энергию и массу черных дыр, отчего гравитационная масса Вселенной начинает восстанавливаться до предыдущего значения. Рост этой массы системы вызывает эффект «гипергравитации». В феврале 2018 года мы с Александром Васильковым опубликовали еще одну статью в MNRAS, где были получены модифицированные уравнения Фридмана и показано, что гипергравитация растягивает окружающее нас поле галактик. Поэтому в уравнениях Фридмана появляется космологическая постоянная, причем ее теоретическая оценка хорошо совпадает с наблюдаемым значением. Таким образом, отпадает необходимость введения «темной энергии».


Компьютерная симуляция слияния двух черных дыр, от которого впервые были зарегистрированы гравитационные волны. Источник: ligo.caltech.edu

Относительное взаимное ускорение расширения набора галактик происходит на фоне абсолютного торможения разлетающейся Вселенной. Как такое возможно? Гравитационное поле часто моделируют резиновой пленкой, которую тяжелый шар вытянул воронкой вниз. Разместим на пленке колонну легких автомобильчиков, выбирающихся из потенциальной ямы по радиальной трассе. Что произойдет, если шар быстро дернуть вверх? За ним конусом потянется резиновая пленка, потому что скорость распространения возмущения по пленке конечна. Когда этот конус распространится до нашей автоколонны, то машины почувствуют мощный толчок, выталкивающий их наружу. Это антигравитация, или Большой Взрыв.

Что будет, если шар, наоборот, увеличивает свою массу? Тогда воронка будет углубляться, а цепь из автомобильчиков, которые являются аналогами галактик, будет растягиваться. Это интерпретируется как современное ускорение Вселенной. Но если на ночной дороге задний автомобиль ускоренно отстает от переднего, локальные наблюдатели не могут определить — связано ли это с ускорением первой машины, или с торможением последней. Но теоретик с правильными формулами эквивалентен абсолютному наблюдателю и знает истину: поле наблюдаемых галактик растягивается со слабым относительным ускорением на потенциале тормозящейся Вселенной с растущей массой. Так гласит математическое решение уравнений Эйнштейна.

99% волн

В совместной статье с Васильковым и Мазером, которая вышла в сборнике конференции «Исследование темной стороны Вселенной», была оценена плотность среды гравитационных волн, при поглощении которых Большая Черная Дыра генерирует наблюдаемую космологическую постоянную. Плотность энергии, необходимая для питания этой огромной космологической машины, оказалась близка к критической плотности вещества во Вселенной — всего в 25 раз больше нее. Это примерно половина массы электрона в каждом кубическом сантиметре. Если принять эту оценку, то получится впечатляющая картина Вселенной, которая состоит на 99% из гравитационного излучения и на 1% из черных дыр, барионов и фотонов с примесью других частиц, причем на черные дыры приходится львиная доля этого процента.

Новая космология отскока представляет собой хорошо разработанную классическую космологию отскока с включением гипотезы Бёрда–Рисса о темной материи из черных дыр, что сразу дает отсутствовавшую пружину для Большого Взрыва. Добавление в картину мира фона гравитационного излучения и учет ответного роста черных дыр объясняет современное ускорение Вселенной. При всей необычности новой модели мира, она полностью вписывается в рамки жестких ограничений для космологической супермодели.

Вселенная оказалась красивым и достаточно простым классическим объектом, не более квантовым, чем галактики или звезды. Она в крупных масштабах управляется только общей теорией относительности и не требует новых теорий, гипотетических частиц, полей или измерений. Из новой теории можно вывести целый ряд возможных наблюдательных следствий: распределение черных дыр по массам, объяснение анизотропии космологического излучения, снятие противоречий в измерении постоянной Хаббла–Леметра и т.д. Ключевым свидетельством в пользу новой космологии отскока будет обнаружение высокочастотных гравитационных волн, составляющую основную часть энергии Вселенной.

Кантианский феникс

Космология отскока получила надежную и убедительную теоретическую основу. Можно ли на этой базе построить циклическую космологию? Забегая вперед, ответим утвердительно: для циклической Вселенной, пульсирующей в огромной черной дыре, найдено элегантное решение проблемы роста энтропии, которое тесно связано с судьбой непрерывно растущей Большой Черной Дыры.

Вселенная представляет собой маятник с перетеканием энергии между главными компонентами — негравитирующими гравитационными волнами и гравитирующими черными дырами, — что приводит к периодическому изменению общей гравитационной массы Вселенной. Она действительно оказалась бессмертным кантианским фениксом, который ухитряется восставать из пепла, даже состоящего из неуничтожимых черных дыр. Циклическая модель объясняет механизм накопления темной материи в виде черных дыр, а также решает загадку раннего происхождения сверхмассивных, в миллиарды масс солнца, черных дыр в центрах галактик.

Стивен Хокинг

Развитие космологической супермодели Гамова — привлекательная область для наблюдателей и теоретиков. Но нельзя недооценивать инерцию, накопленную квантовой космологией. Стивен Хокинг в знаменитой книге «От большого взрыва до черных дыр» писал: «По моему личному мнению, новая инфляционная модель сейчас мертва как научная теория, хотя многие люди, похоже, не слышали об ее кончине и все еще пишут статьи, как будто она жизнеспособна».

Квантовая космология исходит из смелой гипотезы, что динамика Вселенной определяется квантовыми эффектами. Несмотря на усилия тысяч ученых и потраченные миллиарды долларов, не было получено ни одного прямого экспериментального подтверждения или надежного теоретического обоснования этой гипотезы. Изучение Вселенной фактически разделилось на классическую астрономию и квантовую космологию. Последняя активно пропагандирует среди широкой публики свои экзотические модели, параллельные миры и мультивселенные. Но среди классических астрономов этот пряный товар продается плохо: квантовой астрономии так и не возникло, а модели Вселенной, возникшие в результате квантового космогоноварения, ориентированы на домашнее употребление самими космологами.

Мартин Рис

Один ведущий российский астроном признался мне, что давно перестал следить за происходящим в космологии. Наука старается объяснить непонятное с помощью известного, поэтому классическим ученым трудно согласиться с тем, что в современной космологии одно непонятное объясняется другим, еще более загадочным. В результате Вселенная получила статус неимоверно сложного объекта. Королевский астроном Мартин Рис уныло сказал, что люди со своими слабыми мозгами, может быть, никогда не узнают, как на самом деле устроена Вселенная — как мартышки, которые обречены на непонимание теории Эйнштейна.

Возрождающаяся космология Гамова, напротив, проста и красива, поэтому неизбежно будет прирастать сторонниками. Главная сенсация нашей статьи, опубликованной в сборнике конференции, заключается в первом разделе, который называется «Большие космологические вопросы» и написан нобелевским лауреатом Джоном Мазером. Он задается вопросами, которые представляют несомненный интерес. Цитаты двух других нобелевских лауреатов, Жерара т’Хоофта и Филиппа Андерсона, убедительно поддерживают рассуждения Мазера: т’Хоофт — активный противник тех, кто пытается втащить гравитационную энергию в источники гравитационного поля. Андерсон же прозорливо указывает на то, что переход массы черных дыр в гравитационные волны может объяснить феномен «темной энергии». Этот текст можно назвать космологическим меморандумом трех нобелевских лауреатов, чья область экспертизы охватывает космологию, теорию гравитации, квантовые поля и элементарные частицы. Отмахнуться от мнения таких людей — значит перестать задавать себе и природе «большие вопросы».

Крушения теорий являются нормой в истории науки: так, в свое время, невзирая на отчаянные усилия алхимиков, погибли теории философского камня, флогистона и эфира. Забавно, что «квинтэссенция», термин средневековых алхимиков, весьма популярен в инфляционной космологии. Полагаю, что под давлением наблюдательных данных фантастическая вавилонская башня квантовой космологии скоро развалится, а моделирование Вселенной вернется в рамки классической астрономии.

Статьи, упоминаемые в материале:

Nick Gorkavyi, Alexander Vasilkov, 2016, MNRAS, 461, 2929–2933.
Nick Gorkavyi, Alex
ander Vasilkov, 2018, MNRAS, 476, 1384–1389.
Nick Gorkavyi, Alexander Vasilkov, John Mather «A Possible Solution of the Cosmological Constant Problem», 2018. Eds. B. Vachon and P. Petroff. Proc. 2nd World Summit: Exploring the Dark Side of the Universe, 25–29 June, 2018, Guadeloupe, France).

Редакция представляет вниманию читателей «меморандум трех нобелевских лауреатов» (перевод Николая Горькавого).

Большие космологические вопросы

Мы знаем сегодняшнюю вселенную: далекие галактики, убегающие от нас; космическое микроволновое фоновое излучение [1]; распространенность химических элементов и доказательства для темной материи и темной энергии. Мы имеем относительно простую теорию расширения примерно с семью параметрами, которая очень хорошо описывает наблюдения. Но некоторые загадки остались, и речь идет не только о темной материи, темной энергии и квантовой гравитации. Возможно, пора провести еще немного мысленных экспериментов.

Что, если нынешняя вселенная перестанет расширяться, скажем, потому что темная энергия имеет уравнение состояния, которое мы не знаем, или, может быть, она не то, что мы думаем? Что случится с объектами, которые мы видим сегодня? Как они будут себя вести, если будут сближаться в каком-то гигантском сжатии? Будут ли звезды раздавлены и измельчены, испарятся ли в облака элементарных частиц, или они упадут в черные дыры и исчезнут из поля зрения? Будут ли черные дыры поглощать все, включая темную материю, которую мы считаем найденной? Что-нибудь может остановить этот коллапс? Будет ли коллапс иметь достаточную симметрию, чтобы вселенная снова стала гладкой, или она разделится на отдельные части вроде черных дыр? Другими словами, сможет ли наша нынешняя вселенная испытать отскок, если она перестанет расширяться и начнет падать назад? Что происходит с энтропией — она продолжает расти, или, может быть, мы не знаем, как вычислить энтропию бесконечной системы?

Или какая предыдущая вселенная может совершить такой отскок, чтобы создать нашу вселенную? Идея отскока вселенной очень старая и действительно стояла за поиском космического микроволнового фонового излучения Робертом Дикке. Идея отскока является интересной альтернативой инфляционной теории. Как мы можем различить их экспериментально?

И связанный с этим вопрос: что происходит с общей скоростью расширения по мере того, как гравитационная масса меняет форму, переходя между энергией покоя, кинетической энергией, лучистой энергией, черными дырами и гравитационными волнами? В частности, полна ли формулировка Эйнштейна, связывающая кривизну с тензором энергии-импульса, и дает ли гравитационное излучение вклад в тензор энергии-импульса, а также и в дополнительную кривизну? Жерар ‘т Хоофт пишет [2]: «Я подчеркиваю, что любая модификация уравнений Эйнштейна во что-то вроде S_ik — (1/2) R g_ik = k (T_ik (matter) + ​​t_ik (grav)), где t_ik (grav) будет чем-то вроде «гравитационного вклада» в тензор напряжения-энергии-импульса, вопиюще ошибочен. Написание такого варианта выдает полное непонимание общей теории относительности. Энергия и импульс гравитационного поля полностью учитываются нелинейными частями исходного уравнения».

Возможно, нам нужно разделить (по крайней мере, мысленно) члены космологической кривизны нулевой частоты от высокочастотных членов кривизны, представляющих распространяющиеся гравитационные волны. Тогда мы могли бы представить плотность энергии в распространяющихся волнах как эквивалентный источник, который естественным образом заменил бы импульсно-энергетические члены материальных полей и черных дыр по мере их превращения. Это не было бы уходом от общей теории относительности, а только разделением нулевых или низкочастотных членов от высокочастотных членов. Если ‘т Хоофт полностью прав, то это должно быть эквивалентно нелинейным частям исходного уравнения.

Например, когда сливаются две черные дыры, энергия гравитационной волны распространяется наружу, а масса новой черной дыры меньше массы сливающихся партнеров, по крайней мере, по всем вычислениям общей теории относительности, которые вполне соответствуют наблюдениям. Должны ли мы увидеть внезапное радиальное ускорение по мере прохождения мимо нас расширяющейся оболочки гравитационного излучения? Аналогичная идея была высказана недавно Филиппом У. Андерсоном [3]: «В недавних наблюдениях гравитационного излучения от столкновения черных дыр было подсчитано, что масса результирующей системы на несколько солнечных масс …меньше, чем сумма масс исходной пары …Наблюдаемая вселенная становится легче с какой-то неизвестной скоростью, в зависимости от уровня необратимого излучения. …Это, по-видимому, не учитывается в существующей космологии, и может объяснить часть, или даже всю «темную энергию», которая сейчас постулируется».

Если бы Земля внезапно уменьшила массу, мы ожидали бы изменение гравитационного притяжения к ней. Мы открыли поперечные гравитационные волны, но как насчет монопольного члена? Об этом было много дискуссий в контексте общей теории относительности. Знаем ли мы, как применить к этой ситуации теорему Биркгофа? Аналогично, и это, вероятно, уже известно, что происходит с энтропией и информацией в черных дырах, когда они сливаются? И, кроме чистой теории, существует ли какой-либо возможный эксперимент, который можно было бы осуществить, чтобы проверить эти предсказания? Кстати, будут ли другие теории гравитации давать различающиеся прогнозы?

Джон Мазер
Годдардский центр НАСА, лауреат Нобелевской премии

Ссылки:

[1]. Mather J.C. and Boslough J., 2008, The very first light. Basic Books, New York.

[2]. ‘t Hooft G. Strange misconceptions of general relativity. March 2010, http://www.staff.science.uu.nl/~hooft101

[3]. Anderson Ph.W., 2018, Four last «conjectures», arXiv:1804.11186.

Журнал «За науку»