Двадцать шесть попыток предшествовали сотворению мира, и все они кончились неудачей. Мир человека возник из хаоса обломков, оставшихся от прежних потерь.
Наблюдения показывают существование обширной популяции черных дыр, которую делят на три класса: аббревиатура SBH (Stellar-mass Black Hole) означает черные дыры звездных масс до 100 масс Солнца; IMBH (Intermediate-Mass Black Hole) — объекты промежуточной массы от 100 до 105 солнечных масс; SMBH (SuperMassive Black Hole) — сверхмассивные черные дыры в 105–1010 M/ (илл. 8–11).
В центрах галактик расположены сверхмассивные черные дыры, а темная материя в гало галактик, возможно, состоит из черных дыр звездных масс. Дыр промежуточной массы известно мало — их нашли лишь в некоторых центрах шаровых звездных скоплений. Попробуем совместить это обилие и разнообразие черных дыр с концепцией циклической Вселенной. С одной стороны, циклическая модель упрощает проблему формирования темной материи из черных дыр, образовавшихся при взрывах сверхновых: они могут накапливаться из цикла в цикл. С другой стороны, черные дыры — это неразрушаемые объекты, которые могут только расти, причем их рост ускоряется с их размером. Как остановить рост этого прожорливого семейства с абсолютным аппетитом?
Пулковский астроном Кирилл Масленников в августе 2021 года выпустил на научно-популярном канале QWERTY прекрасную передачу про циклическую модель Вселенной с темной материей из черных дыр. Среди двух тысяч комментариев к этой передаче типичными были такие:
«Если бы черные дыры накапливались, то они бы уже заполнили всю Вселенную и сожрали всю временную материю».
″Даже если Вселенная циклична, все равно рано или поздно в ней ничего не останется, черные дыры все поглотят, это печально:(″.
«Очень интересная теория! Но разве количество черных дыр не будет постепенно накапливаться? И не перекочует ли, рано или поздно, все вещество Вселенной в черные дыры?»
Действительно, как достичь стационарного распределения неразрушаемых черных дыр, которые только образуются, растут и сливаются? Эта задача выглядит абсолютно неразрешимой. Кажется очевидным, что черные дыры поглотят всю обычную материю и станут единственными обитателями Вселенной. Но природа — гениальный конструктор, которая смогла решить и эту «неразрешимую» задачу!
Предположим, что черные дыры образуются в результате взрывов сверхновых и переходят из цикла в цикл, накапливаясь вместе с гравитационными волнами, которые образуются при слиянии черных дыр. Можно показать (см. Приложение II), что даже если вся существующая темная материя образована черными дырами звездных масс, ее объем будет ничтожным по сравнению с объемом Вселенной, сжатой до размеров в несколько световых лет. Вселенная даже в состоянии максимального коллапса может легко вместить все черные дыры мира — как звездных масс, так и гораздо более объемные сверхмассивные дыры из центров всех галактик (см. Приложение II). Итак, в циклической Вселенной суммарное число и масса черных дыр будут накапливаться. Для стационарности популяции нужно как-то убирать хотя бы часть черных дыр. Как это сделать?
Как мы уже отмечали, распространенное мнение о черных дырах как сверхплотных телах верно только для черных дыр звездных масс. Чем крупнее дыры, тем меньше их плотность. Их граница становится все эфемернее и все безопаснее для поглощаемых объектов. Если огромная черная дыра проглотит набор звезд, планет и мелких черных дыр, то они исчезнут из поля зрения внешнего наблюдателя и информация о них будет навсегда недоступной для него. Но если встать на точку зрения наблюдателя, падающего в черную дыру, то никакой потери информации не происходит: при попадании в огромную черную дыру мы снова увидим попавшие туда ранее звезды, планеты и мелкие черные дыры. Граница крупной дыры перестает быть местом катастрофического разрушения («спагеттификации» и т. д.), а становится достаточно условным барьером, легко проницаемым в одну сторону. Это открывает дорогу к стационарности распределения черных дыр во Вселенной, потому что когда самая большая черная дыра мира разрастается до размеров самой Вселенной, то она «съедает» все галактики. Мы попадаем внутрь этой дыры и снова видим поглощенное ею вещество, а граница черной дыры уходит на периферию мира. То есть мы фактически избавляемся от единственной, зато самой большой дыры в распределении — и это позволяет уравновесить рост популяции черных дыр. Рецепт избавления от «неуничтожимой» большой дыры заставляет вспомнить легенду о писателе Мопассане, который терпеть не мог Эйфелеву башню, но каждый день обедал в ресторане, расположенном в ней, — в единственном месте Парижа, откуда башня была не видна.
В статье Горькавого и Тюльбашева (2021) было показано, что стационарное распределение черных дыр, хорошо согласующееся с наблюдениями, достигается при предположении, что в каждом цикле теряется при слияниях 2–5 % количества текущей, то есть переходящей из цикла в цикл, популяции черных дыр одного возраста, а 95–98 % дыр этой популяции переходят в следующий цикл. Под слиянием тут понимается поглощение мелких дыр сверхмассивными дырами, площадь которых доминирует в суммарной популяции. Модель следит в течение сотен циклов за этой популяцией, возникшей в нулевом цикле и двигающейся по времени (рис. 6).
В каждом космологическом цикле звездная эволюция будет порождать новые начальные популяции, поэтому мы будем иметь дело с непрерывным потоком черных дыр от цикла к циклу. В текущий момент времени, то есть в настоящем цикле Вселенной, вокруг нас существует смесь черных дыр из разных циклов.
Рис. 6. Эволюция популяции черных дыр в Модели 1 (см. Приложение II) в течение 402 циклов. Индивидуальная масса черных дыр m показана нижней кривой, их количество n в каждом цикле — средней линией. Суммарная масса M популяции черных дыр каждого цикла отражена на верхнем графике. Все массы указаны в массах Солнца M/. Внизу приведены качественные картины распределения черных дыр по размерам (масштаб условный), соответствующие этапам A, B, C, D на верхнем графике
Аналогия из демографии: нашу планету населяют люди разных годов рождения, и общая численность популяции долгоживущих землян в десятки раз превосходит ежегодное количество новорожденных. Демография, например, изучает, как меняется со временем число людей определенного года рождения. Для страны с постоянным количеством и структурой населения простым суммированием данных для популяции людей определенного года рождения можно вычислить общее количество населения и его распределение по возрастам. Стационарное распределение черных дыр обеспечивается рождением в каждом цикле множества небольших дыр при звездной эволюции и последующим исчезновением в конце цикла единственной, зато самой большой черной дыры. Здесь под концом космологического цикла мы подразумеваем не Большое сжатие, а поглощение поля галактик растущей большой черной дырой.
Огненная среда Вселенной, сжатой до нескольких световых лет, весьма отличается по составу от сегодняшнего разреженного состояния. Например, современная плотность барионного вещества на три порядка выше плотности реликтового электромагнитного излучения (в современной Вселенной в среднем имеется четыре атома водорода на кубический метр и 400–500 фотонов реликтового излучения на каждый кубический сантиметр). При сжатии в десять миллиардов раз плотность барионного вещества станет сравнимой с плотностью воды, зато плотность реликтового излучения превысит несколько тонн на кубический сантиметр. Но эта гигантская плотность все равно очень мала по сравнению с плотностью черных дыр с массой около 10 масс Солнца, которая в сто миллионов раз выше, чем плотность излучения, сжатого в коллапсирующей Вселенной. Для сравнения: свинцовая пуля превосходит плотность воздуха, где она летит, всего в 104 раз.
Маленький размер (в десятки километров) черных дыр звездных масс затрудняет их рост даже в очень плотной среде. Плазма, которая устремляется в такую крохотную черную дыру, дополнительно разогревается, и давление возникшего излучения вызывает остановку аккреции. В астрофизике такую остановку аккреции первый изучил Эддингтон (предел Эддингтона). Важную роль в этом должны играть барионы, потому что именно они делают плазму сжатой Вселенной непрозрачной, что не дает фотонному газу возможности свободно двигаться к черной дыре. Расчеты показывают (см. Приложение II), что черные дыры звездных масс, побывав в среде сжатой Вселенной, поглощают сравнительно небольшую массу вещества из окружающей среды. Поэтому черные дыры, образовавшиеся при взрыве сверхновых, очень медленно увеличивают свою массу при переходе из цикла в цикл и уменьшают численность лишь при поглощениях другими черными дырами (см. рис. 6). Именно из таких дыр звездных масс и накапливается львиная доля темной материи Вселенной.
Текущая популяция черных дыр, образовавшаяся в одном из космологических циклов, будет с каждым циклом сокращать свою численность (не из-за уничтожения дыр, а из-за их поглощения более крупными дырами), увеличивая среднюю массу черных дыр из-за аккреции. Так как рост массы черной дыры затруднен, систематическое падение их численности будет уменьшать суммарную массу популяции черных дыр. И только когда индивидуальная масса черных дыр будет близка к ста солнечным массам, прирост текущей массы популяции станет положительным и быстрорастущим — за счет быстрого аккреционного роста самых крупных дыр. Возникают черные дыры промежуточной массы, численность (и суммарная масса) которых мала по сравнению с черными дырами звездных масс. Зато дыры промежуточной массы, занимающие диапазон от ста масс Солнца до ста тысяч, служат затравками для возникновения сверхмассивных дыр в миллионы и миллиарды солнечных масс. Эти сверхмассивные дыры играют очень важную роль в дизайне нашей Вселенной.
В главе 18 мы обсудим наблюдательные следствия из данной модели темной материи.