Астрофизика
Черно-белые дыры и космогенезис
В.Н. ЛУКАШ,
доктор физико-математических наук Е.В. МИХЕЕВА,
кандидат физико-математических наук В.Н. СТРОКОВ,
кандидат физико-математических наук Астрокосмический центр ФИАН
В статье предложена новая концепция генерации вселенных, основанная на моделях черно-белых дыр с интегрируемыми сингу-лярностями. Эти геометрические структуры формируются в родительской внешней вселенной как обычные черные дыры в Общей теории относительности (ОТО), но их внут-
© Лукаш В.Н., Михеева Е.В., Строк
ренние области эволюционируют с течением времени в расширяющиеся белые дыры, которые и есть дочерние вселенные. В рассматриваемых нами моделях внутри сжимающейся черной дыры возникает динамический поток эффективной материи. После прохождения промежуточной кратковременной стадии эво-
В.Н.
люции с ограниченными приливными силами и конечным гравитационным полем, но расходящимся продольным натяжением материи (интегрируемая сингулярность), поток эволюционирует в стадию объемного расширения внутри белой дыры. Пространственно-временная область белой дыры порождается ма-
териальным потоком, имеющим все признаки однородной космологии, начавшей свое расширение от момента возникновения интегрируемой сингулярности. Физической причиной образования интегрируемой сингулярности является квантово-гра-витационный эффект параметрического рож-
ПРОБЛЕМА КОСМОГЕНЕЗИСА
Данная проблема одна из важнейших в космологии. Традиционно она понимается как проблема происхождения Вселенной или, более широко, вообще вселенных. Содержание такого определения зависит от космологической картины мира, которая долгое время оставалась неоднозначной. Развитие инструментальных и наблюдательных воз-
дения материи в быст-ропеременном гравитационном поле черной дыры. В результате этого процесса новая материя гравитационно воздействует обратно на метрику и перестраивает ее таким образом, что сохраняется понятие среднего пространства-времени всюду, в том числе и в самой
можностей привело к созданию на рубеже ХХ-XXI вв. космологической стандартной модели Вселенной (КСМ), тем самым проблема космогенези-са обрела наконец строгую научную постановку. Если экстраполировать КСМ в прошлое, считая, что ОТО остается верна при больших энергиях, выясняется, что ранняя Вселенная находилась в определенном эволюционном состоянии, требующем задания внеш-
сингулярности. В предложенной нами концепции Гипервселенной (астрогенной космологии) прародителями новых вселенных являются коллапсирующие компактные системы, например звезды, закончившие свою эволюцию в родительской вселенной и образовавшие черные дыры.
них начальных условий, а именно в состоянии объемного расширения от сверхбольших плотно-стей(Земля и Вселенная, 2009, № 2). Как реализовались такие начальные условия? На этот вопрос и должна отвечать любая концепция космоге-незиса.
В контексте КСМ речь идет о возникновении расширяющегося потока материи, имеющего большой размер (далее горизонта видимости), наблюдаемую симметрию (слабовозмущенная модель Фридмана) и относительно малое время существования (около 13 млрд лет). Внутреннюю, доступную наблюдениям часть этого потока мы и называем Вселенной. Сразу оговоримся, что размер и симметрия не связаны с космогенези-сом, а являются следствием инфляции - про-
Гравюра К. Фламмариона, как нельзя лучше отражающая извечное стремление человека продвинуться за грань известного.
Стандартный сценарий эволюции Вселенной. Вдоль оси времени слева направо указаны основные этапы от Большого взрыва до современности.
межуточнои стадии ускоренного расширения, которая на раннем этапе эволюции ВселенноИ (по оценкам, около 10-35 с) растянула и сгладила поток материи, а также сделала его в высокой степени изотропным. Что же касается доинфляци-онной эпохи, то остается невыясненным, с чего началось расширение этого потока с одновременным уменьшением с течением времени его плотности.
Таким образом, размер и симметрия не столь важны для характеристики космогенезиса, как начальная однородность и конечный возраст космологического потока (иначе говоря, возраст ВселенноИ), говорящий о факте его рождения в некоторый момент времени. Мы можем предположить, что такое событие - прохождение системой сверхбольших плотностей с последующим расширением - не уникально и должно естественно возникать в результате действия некого общего механизма гравитационной генерации вселенных. Тот факт, что мы не видим другие вселенные, можно объяснить сложной
топологией геометрического устройства мира и большим размером наблюдаемой Вселенной.
СИНГУЛЯРНОСТЬ - КЛЮЧ К КОСМОГЕНЕЗИСУ
Вплоть до недавнего времени существовало две основные концепции рождения Вселенной. Согласно первой, наш мир возник из "точки" - сингулярности, которая характеризуется бесконечно высокой плотностью энергии и бесконечной пространственно-временной кривизной. Такая сингулярность неизбежно возникает математически, если мысленно обратить вспять наблюдаемое расширение Вселенной, предполагая, что
п
ее симметрия сохраняется. Поскольку, согласно принципу Коперника, наше существование в этом мире ничем не выделено, эту простейшую картину рождения Вселенной пытались "доработать", стараясь каким-то образом обойти сингулярность.
Так, уже более 40 лет развивается концепция осциллирующей, или циклической Вселенной, основанная на гипотезе отскоков (например, модель английского математика-космолога Р. Пенроуза). В соответствии с данной концепцией Вселенная проходит в своей истории бесконечное число циклов: расширение вещества в некоторый момент времени сменяется сжатием почти до син-
гулярности, затем опять наступает расширение. Ряд таких циклов повторяется множество раз, в прошлом и будущем. Эта концепция, несмотря на наглядность, имеет серьезные недостатки. Во-первых, предположение о том, что однажды расширение нашего мира сменится сжатием, противоречит современным наблюдательным данным. Во-вторых, в ней отсутствует физический механизм, который понуждал бы Вселенную совершать такие колебательные движения.
Пионерская работа члена-корреспондента РАН И.Д. Новикова об эволюции коллапси-рующего электрически заряженного шара продемонстрировала принципиальную возмож-
Геодезическая карта пространства-времени кол-лапсирующей звезды с образованием черной дыры (диаграмма Пенроуза). Траектории света на ней -линии, наклоненные под углом 45°, время отсчиты-вается по вертикали снизу вверх от прошлого к будущему, расстояние от центра звезды - по горизонта -ли. Голубая область занята материей звезды, красная линия - сингулярность черной дыры, стрелки - частицы от звезды, находящиеся вне (уход в бесконечность) и внутри (падение на сингулярность) черной дыры, буквы (см. также после -дующие рисунки) - границы пространства-времени для внешнего наблюдателя.
ность отскока материи от сверхплотного состояния (смены сжатия на расширение) и вдохновила поколения исследователей на поиск более простых режимов отскока от сингулярности. Однако попытки обойти сингулярность не привели к успеху, поскольку взамен приходилось постулировать определенные свойства вещества в экстремальных условиях, например ограничение плотности или, для рождения Вселенной из "ничего", существование сверхплотного вакуума высокой симметрии. Такие дополнительные требования подменяли начальные условия в ранней Вселенной.
Другой подход к проблеме космогенезиса -это гипотеза самовоспро-
изводящихся вселенных, предложенная российским физиком-космологом, профессором Стэн-фордского университета США А.Д. Линде. Согласно его идее, мир можно представить как кипящий в котле бульон высокой плотности. В бульоне возникают пузыри, которые могут снова схлопнуться в сверхплотное состояние или же начать расширяться, причем расширение будет длительным, в зависимости от начальных условий. Предполагается, что характеристики пузырей (включая значения фундаментальных констант), представляющих собой новые миры, обладают некоторым спектром и меняются в широком диапазоне. В рамках этой гипотезы остается неясным происхождение бульона и то, насколько часто реализуются начальные условия, приводящие к появлению вселенных нашего типа. По сути, гипотеза "бульона" - это реинкарнация "любимой" идеи человечества о стационарной и вечной вселенной (вспомним хотя бы "величайшую ошибку" А. Эйнштейна о лямбда-члене или модель "steady-state" Ф. Хойла, предполагающую, что во Вселенной непрерывно генерируется вещество посредством некоторого неизвестного механизма).
Предпринимались и другие попытки "уйти" от сингулярности, но цена всегда была высо-
кой. Приходилось постулировать либо наличие сверхплотных (субплан-ковских) состояний материи, либо возникновение "отскоков" с фридманов-ской симметрией от состояний высокой плотности, требующих введения дополнительных гипотез о поведении вещества в экстремальных условиях ранней Вселенной.
По нашему мнению, остается единственная возможность: предположить, что временная сингулярность на самом деле неизбежна и жизненно необходима для космо-генезиса. В этом случае наличие сингулярности превращается из недостатка в преимущество, а ее образование и эволюция дают ключ к разгадке проблемы космоге-незиса! Следовательно, теперь надо не изгонять сингулярности из космологических моделей, а, наоборот, искать гравитационные механизмы их воспроизводства. В том числе необходимо понять, как через них можно продлить пространство-время и что скрывается в будущем за этими особыми областями.
ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ И ТЕОРЕМЫ О СИНГУЛЯРНОСТЯХ
Именно в этом русле и лежит третья концепция космогенезиса, предложенная авторами статьи. Как образовать сингулярность и где ее найти? Ответ прост. Сингулярность образуется в результате гравитационно-
го коллапса какого-либо компактного объекта и находится внутри возникшей черной дыры. Самый простой пример коллапса - массивная звезда на конечной стадии ее эволюции (Земля и Вселенная, 2010, №№ 1, 3).
Итак, коллапс заканчивается сингулярностью, а космология начинается с сингулярности. Не есть ли это одна и та же сингулярность, наблюдаемая с разных сторон: в про
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.