Был ли большой взрыв в черной дыре? Исследование предполагает, что это могло быть

В новой статье, опубликованной в Physical Review D, мои коллеги и я предлагаем поразительную альтернативу. Наши расчеты показывают, что Большой взрыв был не началом всего, а скорее результатом гравитационного хруста или коллапса, которые образовали очень массивную черную дыру — с последующим отскоком внутри него.

Эта идея, которую мы называем вселенной Черной дыры, предлагает радикально другой вид на космическое происхождение, но она полностью основана на известной физике и наблюдениях.

Сегодняшняя стандартная космологическая модель, основанная на Большом взрыве и космической инфляции (идея о том, что ранняя вселенная быстро взорвалась в размерах), была удивительно успешной в объяснении структуры и эволюции вселенной. Но это идет по цене: это оставляет некоторые из самых фундаментальных вопросов без ответа.

С одной стороны, модель Большого взрыва начинается с сингулярности — точки бесконечной плотности, где нарушаются законы физики. Это не просто технический сбой; Это глубокая теоретическая проблема, которая предполагает, что мы вообще не понимаем начало.

Чтобы объяснить крупномасштабную структуру вселенной, физики ввели краткую фазу быстрого расширения в раннюю вселенную, называемую космическую инфляцию, основанную на неизвестном поле со странными свойствами. Позже, чтобы объяснить ускоряющее расширение, наблюдаемое сегодня, они добавили еще один «таинственный» компонент: темная энергия.

Короче говоря, стандартная модель космологии работает хорошо, но только путем введения новых ингредиентов мы никогда не наблюдали напрямую. Между тем, самые основные вопросы остаются открытыми: откуда все произошло? Почему это началось таким образом?

Новая модель

Наша новая модель решает эти вопросы под другим углом — глядя внутрь, а не наружу. Вместо того, чтобы начинать с расширяющейся вселенной и пытаться отследить, как она началась, мы рассмотрим, что происходит, когда чрезмерно плотная коллекция материи рухнет под гравитацией.

Это знакомый процесс: звезды перепадают в черные дыры, которые являются одними из наиболее хорошо понятых объектов в физике. Но то, что происходит в черной дыре, за пределами горизонта событий, из которого ничего не может сбежать, остается загадкой.

В 1965 году британский физик Роджер Пенроуз доказал, что в очень общих условиях гравитационный коллапс должен привести к особой. Этот результат, расширенный покойным британским физиком Стивеном Хокингом и другими, подкрепляет идею о том, что особенности — как и точка в Большом взрыве — неизбежны.

Идея помогла выиграть Пенроузу Нобелевской премии по физике 2020 года и вдохновила глобального бестселлера Хокинга короткую историю времени: от Большого взрыва до черных дыр. Но есть предостережение.

Эти «теоремы сингулярности» основаны на «классической физике», которая описывает обычные макроскопические объекты. Если мы включим эффекты квантовой механики, которая управляет крошечными микрокосмосами атомов и частиц, как мы должны при крайней плотности, история может измениться.

В нашей новой статье мы показываем, что гравитационный коллапс не должен заканчиваться в сингулярности. Мы находим точное аналитическое решение — математический результат без приближений. Наша математика показывает, что, приближаясь к потенциальной сингулярности, размер вселенной изменяется как (гиперболическая) функция космического времени.

Это простое математическое решение описывает, как разрушающее облако вещества может достигать состояния высокой плотности, а затем отскочить, восстанавливаясь наружу в новую фазу расширения.

Но почему теоремы Пенроуза запрещают такие результаты? Все сводится к правилу, называемому принципом квантового исключения, в котором говорится, что нет двух идентичных частиц, известных как Фримионы, не могут занимать одно и то же квантовое состояние (например, угловой импульс или «спин»).

И мы показываем, что это правило предотвращает сжимание частиц в коллапсирующем веществе на неопределенный срок. В результате коллапс останавливается и меняется. Отказ не только возможен — он неизбежен при правильных условиях.

Важно отметить, что этот отскок происходит полностью в рамках общей теории относительности, которая применяется к большим масштабам, таким как звезды и галактики, в сочетании с основными принципами квантовой механики — без экзотических полей, дополнительных измерений или спекулятивной физики.

То, что появляется на другой стороне отскока, — это вселенная, удивительно похожая на нашу собственную. Еще более удивительно, что отскок естественным образом производит две отдельные фазы ускоренной экспансии — инфляция и темная энергия — обусловленные не гипотетическими полями, а физикой самого отскока.

Проверяемые прогнозы

Одной из сильных сторон этой модели является то, что она делает проверенные прогнозы. Он предсказывает небольшое, но ненулевое количество положительной пространственной кривизны-означает, что вселенная не совсем плоская, но слегка изогнутая, как поверхность земли.

Это просто реликвия исходной небольшой перевышенной плотности, которая вызвала коллапс. Если будущие наблюдения, такие как продолжающаяся миссия Евклида, подтвердите небольшую положительную кривизну, было бы сильным намеком на то, что наша вселенная действительно вышла из такого отскока. Он также делает прогнозы о скорости расширения нынешней вселенной, что уже было проверено.

Эта модель делает больше, чем решает технические проблемы со стандартной космологией. Это также может пролить новый свет на другие глубокие загадки в нашем понимании ранней вселенной, таких как происхождение супермассивных черных дыр, природа темной материи или иерархическое образование и эволюция галактик.

Эти вопросы будут изучены будущими космическими миссиями, такими как Arrakihs, которые будут изучать диффузные особенности, такие как звездные ореолы (сферическая структура звезд и глобулярные кластеры, окружающие галактики) и спутниковые галактики (небольшие галактики, которые вращаются более крупными), которые трудно обнаружить с помощью традиционных телескопов с земли и помогут понять темную материю и галактику.

Эти явления также могут быть связаны с Relic Compact -объектами, такими как черные дыры, которые образовались на фазе коллапса и пережили отскок.

Вселенная Черной дыры также предлагает новую перспективу на нашем месте в космосе. В этой структуре вся наша наблюдаемая вселенная находится внутри внутренней части черной дыры, образованной в какой -то более крупной «родительской» вселенной.

Мы не особенные, не более чем Земля была в геоцентрическом мировоззрении, которое привело к тому, что Галилео (астроном, который предложил, чтобы Земля вращалась вокруг солнца в 16 и 17 веках) подняться под домашним арестом.

Мы не являемся свидетелем родов всего из ничего, а скорее продолжение космического цикла — одно из них, формируемое гравитацией, квантовой механикой и глубокими соединениями между ними.

Энрике Газтанага, профессор Института космологии и гравитации (Университет Портсмута), Университет Портсмута.