Всесвіт може не виникнути в результаті Великого вибуху: які думки висловлюють науковці?

Початок Всесвіту ми часто уявляєм, яке Великий вибух - одиничний момент, коли виникли простір, час і матерія. Але що якщо це було зовсім не початком? Можливо, наш Всесвіт виник із чогось іншого -- чогось більш знайомого і радикального одночасно?

Професор Інституту космології та гравітації Університету Портсмута Енріке Газтанага з колегами запропонували свою альтернативу. Як він написав у статті для видання Live Science, розрахунки його групи показують, що Великий вибух не був початком всього, а скоріше результатом гравітаційного стиснення або колапсу, який утворив дуже масивну чорну діру, за чим стався відскок всередині.

Ідея, яку автори назвали Всесвітом чорної дірки, пропонує радикально інший погляд на походження космосу, але вона повністю заснована на відомій фізиці та спостереженнях. Сьогоднішня стандартна космологічна модель, заснована на Великому вибуху та космічній інфляції (ідея про те, що ранній Всесвіт швидко збільшувався в розмірах), виявилася напрочуд успішною в поясненні структури та еволюції Всесвіту. Але вона залишає деякі з фундаментальних питань без відповіді.

По-перше, концепція Великого вибуху стартує з сингулярності — моменту з нескінченною щільністю, в якому закони фізики перестають діяти. Це не лише технічний збій; це суттєва теоретична проблема, що залишає нас без уявлення про те, що існувало до цієї події.

Щоб пояснити великомасштабну структуру Всесвіту, фізики ввели коротку фазу швидкого розширення в ранній Всесвіт, що називається космічною інфляцією. Цей процес підживлювався невідомим полем з дивними властивостями. Пізніше, щоби пояснити розширення, яке відбувалося з прискоренням і триває досі, вони додали ще один "загадковий" компонент: темну енергію.

Скажемо так, стандартна космологічна модель демонструє хороші результати, але лише завдяки впровадженню нових елементів, які ми ще не спостерігали в реальності. Водночас, основні питання залишаються без відповідей: звідки походить все це? Чому початок відбувся саме таким чином? І чому наш Всесвіт має такі плоскі, гладкі та величезні характеристики?

Нова версія

Пропонована дослідниками інноваційна модель підходить до цих питань з альтернативної перспективи. Вона закликає звернути увагу на внутрішні процеси, а не зовнішні фактори. Замість того, щоб зосереджуватися на розширюваному Всесвіті та намагатися зрозуміти його початок, автори рекомендують вивчити, що відбувається, коли надмірно щільне скупчення матерії піддається гравітаційному колапсу.

Цей процес фізикам знайомий. Зірки колапсують у чорні діри, які є одними з вивчених об'єктів у фізиці. Але те, що відбувається всередині чорної діри, за обрієм подій, з якого ніщо не може вирватися, залишається загадкою.

У 1965 році британський фізик Роджер Пенроуз довів, що за дуже загальних умов гравітаційний колапс має призводити до сингулярності. Цей результат, розширений покійним британським фізиком Стівеном Гокінгом та іншими, підкріплює ідею про те, що сингулярності - такі як сингулярність при Великому вибуху - неминучі.

Ця концепція стала основою для того, щоб Пенроуз отримав частину Нобелівської премії з фізики 2020 року і надихнула Гокінга на створення світового бестселера "Коротка історія часу: від Великого вибуху до чорних дір". Проте існують певні застереження. Зазначені "теореми про сингулярність" базуються на "класичній фізиці", яка охоплює звичайні макроскопічні об'єкти. Якщо ж ми врахуємо впливи квантової механіки, що регулює поведінку атомів та елементарних частинок, особливо в умовах екстремальної густини, ситуація може кардинально змінитися.

У свіжому дослідженні автори доводять, що гравітаційний колапс не завжди призводить до виникнення сингулярності. Вони представляють точне аналітичне рішення, яке є математичним результатом без використання наближень. Їхні чисельні розрахунки свідчать, що при наближенні до потенційної сингулярності розміри Всесвіту варіюються відповідно до (гіперболічної) функції космічного часу.

Це елементарне математичне пояснення ілюструє, як матерія, що стискається в хмарі, може перейти до стану з великою щільністю, а потім відскочити, вибираючись назовні в нову, що розширюється, фазу.

Але як теореми Пенроуза запобігають таким висновкам? Вся річ полягає в принципі, відомому як квантовий принцип виключення. Він стверджує, що жодні дві однакові частинки, які називаються ферміонами, не можуть займати ідентичний квантовий стан, наприклад, мати однаковий кутовий момент або "спін".

Дослідники у новій роботі показують, що це правило не дозволяє часткам в матерії, що колапсує, стискатися нескінченно. В результаті колапс зупиняється та обертається назад. Відскок не тільки можливий - він неминучий за правильних умов.

Важливо те, що цей відскок відбувається повністю в рамках загальної теорії відносності, яка застосовується у великих масштабах, таких як зірки та галактики, у поєднанні з основними принципами квантової механіки. Більше не потрібні екзотичні поля, додаткові виміри або спекулятивна фізика.

Те, що утворюється на протилежному боці відскоку, є Всесвітом, який вражаюче нагадує наш власний. Ще більш вражаючим є те, що процес відскоку природно генерує дві різні фази прискореного розширення — інфляцію та темну енергію. Рушійною силою цих процесів є не уявлювані поля, а сама фізика відскоку.

Достовірні прогнози

Однією з сильних сторін запропонованої моделі є те, що вона робить придатні для перевірки прогнози. Вона передбачає невелику, але ненульову кількість позитивної просторової кривизни -- тобто Всесвіт не зовсім плоский, а трохи викривлений, як поверхня Землі.

Це всього лише залишок первісної надмірної густоти, що викликала колапс. Якщо майбутні спостереження, зокрема місія Евклід (ініціатива Європейського космічного агентства за участю NASA, спрямована на вивчення темної матерії), яка наразі триває, підтвердять наявність невеликої позитивної кривизни, це стане вагомим свідченням того, що наш Всесвіт дійсно виник внаслідок такого відскоку. Ця місія також робить прогнози щодо сучасної швидкості розширення Всесвіту, яка вже була піддана перевірці.

Ця модель виконує не лише функцію вирішення технічних недоліків традиційної космології. Вона також має потенціал пролити нове світло на численні складні загадки, пов’язані з нашим сприйняттям раннього Всесвіту, такі як виникнення надмасивних чорних дір, характеристики темної матерії та процеси ієрархічного формування й еволюції галактик.

Ці питання стануть об'єктом дослідження в рамках майбутніх космічних місій, зокрема проекту Arrakihs. Вони зосередяться на вивченні дифузних структур, таких як зіркові гало — оболонки, що оточують галактики, які складаються зі зірок і кульових скупчень, а також на галактиках-супутниках — менших системах, які обертаються навколо більших галактик. Оскільки традиційні наземні телескопи не здатні виявити ці об'єкти, місії допоможуть нам краще зрозуміти природу темної матерії та еволюційні процеси в галактиках. Ці явища можуть також бути пов'язані з реліктовими компактними об'єктами, такими як чорні дірки, що виникли під час колапсу і пережили відскок.

Всесвіт чорної діри також пропонує новий погляд на наше місце у космосі. У цій структурі весь наш придатний для спостереження Всесвіт знаходиться всередині чорної діри, утвореної в деякому більшому "батьківському" Всесвіті. "Ми не є свідками народження всього з нічого, а скоріше продовженням космічного циклу -- циклу, сформованого гравітацією, квантовою механікою та глибокими взаємозв'язками між ними", -- підсумував свою статтю Газтанага.

Раніше OBOZ.UA розповідав, в якому порядку виникали планети Сонячної системи, згідно з розрахунками фізиків.