Как устроена Вселенная

Хорошо изученные звезды и газовые облака составляют 20% гравитирующей массы Вселенной, остальные 80% содержатся в малоизученной темной материи в виде черных дыр (по самым современным взглядам). Темную энергию не поминать – это антигравитирующее условное понятие. Гравитационные волны тоже – это негравитирующая среда.

Популяцию черных дыр делят на три класса: ЗЧД (звездные черные дыры с массой <100 масс солнца), СМЧД (сверхмассивные черные дыры >100 тыс. масс солнца) и ПЧД (промежуточные черные дыры с массой между ЗЧД и СМЧД). Из обзора Карра и Силка (2018) и других источников можно составить такую примерную таблицу наблюдаемых свойств этих классов (где f – доля этого класса в темной материи)
ЗЧД : 1-100 Мс и f~1
ПЧД : 10^2-10^5 Мс и f<<0.001
СМЧД : 10^5-10^10 Мс и f~0.001

То есть, практически вся масса темной материи (а значит и большинство массы Вселенной) заключена в черных дырах с массой меньше 100 масс солнца – их находят астрофизики с телескопами и экспериментаторы с детекторами гравитационных волн. Сверхмассивные черные дыры вносят небольшой вклад в темную материю, но за счет своей гигантской индивидуальной массы играют важную роль в образовании космических структур, в первую очередь – галактик, в центре которых они и сидят. СМЧД тоже хорошо наблюдаются. Загадкой является практическое отсутствие в наблюдениях черных дыр промежуточных масс. То есть вокруг нас множество темных «мышей» и изрядное количество темных «слонов», но не видно никого вроде «собак» и «лошадей». Это возможно, если по каким-то загадочным причинам, общий вклад ПЧД в темную материю очень мал – гораздо меньше, чем у других классов – чего мы и предположили в таблице вверху.

Решить проблему происхождения этих классов черных дыр означает решить проблему строения Вселенной, для которой черные дыры являются невидимым, но прочным скелетом, на котором все и держится - в самом буквальном смысле этого слова. Как можно подступиться к решению этой задачи? Единственным известным (хорошо рассчитанным и проверенным наблюдениями) способом создания черных дыр является эволюция звезд – небольшой, всего несколько процентов по массе, популяции Вселенной, которая насчитывает 10^22-10^23 штук. Эволюция лишь 0.1% звезд приводит к образованию черных дыр. Таким способом мы можем получить всего лишь ~1% массы темной материи. Где взять остальные 99%?

Как к этой задаче подходят квантовые космологи? Изобретая новые и более эффективные механизмы образования черных дыр в самом начале расширения Вселенной, например, квантовые флуктуации сверхплотной материи на отрезке между какой-нибудь (условно) 10^-40 и 10^-35 секунды, или пузырьки инфлантона между (условно) 10^-33 и 10^-30 секунды. Беда этих подходов в том, что они все математико-фантастические, не имеющие никакого реального подтверждения. Очевидно, что можно найти решение любой проблемы, если ввести достаточное количество новых сущностей (полей, частиц или пузырьков) и нужный набор свободных параметров. Но даже и с таким арсеналом трудно понять – почему ПЧД так выпадают из общего ряда? Почему в космосе так мало темных «собак»?

Старые честные физики вроде меня, связаны по рукам и ногам законами природы и не могут ломать их через колено. Поэтому рассмотрю вариант, когда существует лишь один механизм образования черных дыр – через эволюцию звёзд, но зато черные дыры в циклической Вселенной могут накапливаться от цикла к циклу (такую мысль высказали, например, Клифтон, Карр и Коли в 2017). Принимаем самую простейшую модель (toy-model) для эволюции черных дыр в N циклах: начально заданная популяция при проходе через максимально сжатое состояние Вселенной (около 10 световых лет по старым оценкам Дикке и других) уменьшает свою численность на несколько процентов (из-за попадания в более крупные дыры - в том числе в Большую Черную Дыру), зато увеличивает индивидуальную массу дыр на некоторую величину, пропорциональную площади черной дыры и средней плотности окружающей среды. Этот закон увеличения массы, невзирая на свою предельную простоту, описывает очень интересные зависимости: первые ~90% циклов черные дыры растут очень медленно, а потом, на последних циклах, их рост быстро становится просто взрывообразным и приводит к образованию очень больших дыр. В целом, расчеты элементарные, доступные и школьнику.

Принимая в качестве начальных значений количество и массу черных дыр, которые образовались в ходе одного цикла Вселенной при эволюции звезд, мы отследили эволюцию этой популяции в течение нескольких сот циклов – пока она не пришла к образованию дыры, грубо говоря, сопоставимую по размеру с Вселенной (как раз такую Большую Черную Дыру мы и предполагали в своих предыдущих работах). В результате расчетов, без всяких фокусов, подгонок и натяжек, получаем такое типичное распределение черных дыр между классами:
ЗЧД : 5-100 Мс и f~1
ПЧД : 10^2-10^5 Мс и f~9*10^-8
СМЧД : 10^5-10^10 Мс и f~1.5*10^-4

Средняя масса СМЧД - 65 миллионов масс солнца, а ПЧД - всего 1200, причем их вклад в массу Вселенной именно такой ничтожный, какой мы ожидали, исходя из их малой регистрируемости. ПЧД оказались незаметными, потому что они успели растерять свою численность, но не успели нарастить индивидуальные массы. Относительные роли разных классов могут варьироваться в зависимости от параметров модели, но принципиальные особенности распределения устойчивы.

Это краткий обзор результатов, по которым готовится к печати статья. В чем их значение? Они показывают, что наблюдаемое глобальное распределение черных дыр - это следствие и лучшее наблюдательное доказательство того, что наша Вселенная является циклической. Цикличность Вселенной означает полную ликвидацию всех инфляционных и прочих одноразовых моделей Вселенной. Сейчас честные квантовые космологи, которые так высокомерно относились к нашим идеям, могут пойти и сделать себе харакири. Но ничего драматического не будет – потому что из трех определений «честный, квантовый и космолог» могут быть верными только два. Конечно, эти результаты также подтверждают, что именно черные дыры являются темной материей, поэтому можно сворачивать все проекты по поиску вимпов, аксионов и прочих фикционов.

Количество циклов Вселенной >500, исходя из обсуждаемой модели (~10^18 по энтропийным оценкам в предыдущей статье, которая напоролась на твердый мозг рецензентов). Этот вывод НЕ зависит от конкретных космологических моделей, в том числе и от нашей теории. Он полностью игнорирует конкретные механизмы расширения и сжатия Вселенной, делая только самые общие предположения об эволюции черных дыр от цикла к циклу. (Конечно, если копать вглубь, то вряд ли какая-нибудь теория, кроме нашей, сумеет объяснить эти процессы в рамках теории Эйнштейна и без привлечения новых сущностей).

Наблюдательное доказательство того, что наша Вселенная прошла много циклов – это грандиозно. Построение простой модели, которая убедительно объясняет реальное распределение черных дыр, - это редкий инсайт. Я счастлив, потому что знаю, как устроена Вселенная.