Астрономы нашли центр Вселенной

Вторая статья с Александром Васильковым, посвященная космологии и космологической постоянной, опубликована в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society! 

Копия вышедшей статьи прилагается. Статья выдержала самую тщательную проверку в MNRAS в течение нескольких месяцев. Отмечу, что британский MNRAS публикуется с 1827 года, и сейчас имеет импакт-фактор около 5, образуя вместе американскими Astrophys. Journal и Astrophys. Journal Letters мировую тройку самых авторитетных журналов по астрофизике и астрономии, печатающих оригинальные научные статьи (не обзоры). Искренне восхищен работой научных рецензентов этого журнала, их дотошностью и профессионализмом.

Содержание новой работы будет понятно из следующего обзорного текста о новой космологии, к которой нас подводят последние теоретические и наблюдательные результаты. Этот текст – стартовый для третьей, завершающей статьи по космологии.

С середины XX века до начала 80-х активно развивалась и была научным майнстримом в космологии модель отскока - “rebound cosmology” или “Big Bounce Cosmology” (которую можно рассматривать как предельно простой случай циклической космологии, свободной от сингулярностей). Она началась в 40-х годах с работ Гамова, Альфера и Хермана, но её развивали, разделяли и излагали в своих статьях и книгах практически все видные гравитационисты и космологи – Дикке, Вилкинсон, Вайнберг, Мизнер, Пибблс и другие.

Gamow G. “The Creation of the Universe”, 1953, p.29: “We can now ask ourselves two important questions: why was our universe in such a highly compressed state, and why did it start expanding? The simplest, and mathematically most consistent, way of answering these questions would be to say that the Big Squeeze which took place in the early history of our universe was the result of a collapse which took place at a still earlier era, and that the present expansion is simply an “elastic” rebound which started as soon as the maximum permissible squeezing density was reached”.
Dicke R.H., Peebles P.J.E., Roll P.G., Wilkinson D.T., 1965, Astrophys. J., 142, 414 (классическая статья, сопровождающая статью Пензиаса и Вильсона об открытии реликтового излучения): “…for the matter we see about us now may represent the same baryon content of the previous expansion of a closed universe, oscillating for all time. This relieves us of the necessity of understanding the origin of matter at any finite time in the past. In this picture it is essential to suppose that at the time of maximum collapse the temperature of the universe would exceed 10^10 K, in order that the ashes of the previous cycle would have been reprocessing back to the hydrogen required for the stars in the next cycle”. “A temperature in excess of 10^10 K during the highly contracted phase of the universe is strongly implied by a present temperature of 3.5 K for black-body radiation”. “Assuming a singularity-free oscillating cosmology, we believe that the temperature must have been high enough to decompose the heavy elements from previous cycle…”
Peebles P.J.E. “Principles of Physical Cosmology” 1993, p.141: “Let us extrapolate the expansion of the universe back to redshift z~10^10, when the temperature was T~3*10^10K, and the characteristic photon energy was ~ kT ~3Mev. At this epoch, the CBR photons are hard enough to photodissociate complex nuclei, leaving free neutrons and protons”.

Не буду переводить цитаты, а изложу суть космологии отскока своими словами: возьмем нынешнюю Вселенную, обратим её расширение в сжатие (почему так можно сделать – отдельный вопрос). Когда она сожмется в 10^10 раз – примерно до нескольких световых лет в диаметре, то энергия нынешних реликтовых фотонов в 3К вырастет настолько (до 3*10^10 K или тридцать миллиардов градусов), что они разобьют/превратят все атомные ядра, возникшие в ходе эволюции Вселенной, в свободные протоны и нейтроны. Как поэтично выразились Дикке и др. в 1965 году: фотоны или гамма-кванты переработают «пепел предыдущего цикла». Космология отскока предполагает дальнейший упругий отскок Вселенной со свежим набором барионов – и её расширение в новый цикл. Этот отскок очень логичен, но природа его механизма была неизвестна.

В 80-х в физике элементарных частиц случилась безработица: была успешно создана Стандартная Модель и синхрофазотроны позакрывались. Поэтому в классическую космологию высадился многочисленный десант элементарщиков, выросших на квантовых полях, играя частицами микроскопического размера. Что умеем, то и лепим – поэтому десант создал (и умело вытеснил ею все альтернативы) одноразовую модель Вселенной, вырастающую чудесным образом из микрочастицы и управляемую гипотетическими квантовыми полями: инфлантоном вначале и темной энергией вакуума потом. На роль темной материи, на существование которой указывают кривые вращения галактик и другие наблюдения, опять-таки была предложена массивная туча гипотетических элементарных частиц. Но предсказательная сила новой инфляционной теории была близка к нулю (например, открытие ускорения расширения Вселенной стало для неё неожиданностью), хотя задним числом она, обладающая множеством свободных параметров, могла объяснить всё.

В последние годы недовольство инфляционно-тёмной космологией с множеством допущений выросло настолько, что некоторые еретики даже перестали называть её наукой. Возникло или реанимировалось сразу несколько теорий, возвращающих нас к модели циклической вселенной или к космологическим моделям отскока. Мы тоже вынесем за скобки всю квантовую фантасмалогию последних десятилетий и вернёмся к незаслуженно заброшенной классической космологии. Давайте посмотрим, какие изменения вносят в неё последние наблюдательные и теоретические достижения, в первую очередь - экспериментальные результаты ЛИГО, получаемые с 2016 года:
1. Гравитационные волны существуют.
2. Значительная доля массы сливающихся чёрных дыр превращается в гравитационные волны.
3. Во Вселенной есть огромное количество неучтённых черных дыр с массой около 30 масс Солнца.
Последний результат привел к появлению реалистичной модели тёмной материи, состоящей из черных дыр в десятки масс Солнца. Эта модель обсуждается уже два года, и все увереннее набирает очки в среде наблюдателей и теоретиков. 

Рассмотрим сжимающуюся Вселенную, в которой, кроме атомов и реликтовых фотонов, существует компонента черных дыр, по массе превосходящая барионную компоненту. Легко показать, что, когда Вселенная достигнет размера в несколько световых лет, эти черные дыры начнут лавинообразно сливаться, уменьшая свою суммарную массу на несколько порядков. В нашей статье в MNRAS 2016 года (где получена и исследована модифицированная метрика Шварцшильда для переменной гравитационной массы) показано, что это неизбежно генерирует мощную отталкивающую силу, которая приводит к ускоренному расширению шара Вселенной из гамма-квантов; черных дыр, уцелевших от слияния, а также из барионов, образовавшихся при разрушении атомных ядер. Там же – гравволны и нейтрино. 

Обратим внимание, что черные дыры – единственные материальные макрообъекты, которые могут уцелеть – и даже вырасти - в горниле сжатой Вселенной. Таким образом, проблема Большого Взрыва, которая была главным барьером для космологии отскока, естественно решилась, когда во Вселенную добавили достаточное количество черных дыр: они при сжатии сработали лучше любой взрывчатки. Кроме того, ускоренное расширение Вселенной в этой модели аналогично инфляционному периоду, что, видимо, решает проблему горизонта. Отметим, что решение с переменной гравмассой, как я убедился после многочисленных неудачных попыток, не отвечает за проблемы галактических вращений и не избавляет от необходимости темной материи – это решение, которое работает только на больших, космологических расстояниях.

Но новая космология отскока должна объяснить ещё и наблюдаемое ускорение Вселенной, открытое в 1998 году. Это ускорение хорошо описывается феноменологической космологической константой, вставленной в уравнения Эйнштейна руками самого Эйнштейна. Из уравнения Эйнштейна эта константа перекочевывает в решения или в уравнения Фридмана. Квантовые люди не могут получить эту константу из квантовой теории и объясняют её с помощью введения ещё одного гипотетического поля - «тёмной энергии» с удивительными свойствами вроде отрицательного давления. Так как мы не только обсуждаем классическую космологию, но и работаем в классической научной парадигме, которая крайне отрицательно относится к размножению сущностей, то такой свободы решений мы позволить себе не можем. Поэтому желательно объяснить ускорение расширения Вселенной в рамках уже принятого (единственного!) предположения о переменности гравитационной массы. Эта переменность прямо вытекает из трактовки ОТО, сделанной Эйнштейном после 1916 года: источником гравитационного поля не может быть энергия гравитационного происхождения, то есть нетензорная энергия самого гравполя и гравволн.

В статье 2016 года мы не строили космологию, то есть не получали уравнения Фридмана для сопутствующих наблюдателей, а рассматривали квази-шварцшильдовское решение для покоящегося наблюдателя. В этой модели отталкивающая сила, которая возникает при уменьшении гравитационной массы, со временем не исчезала, а только уменьшалась, что позволяло надеяться на то, что она как-то перейдет в космологическое уравнение Фридмана и объяснит ускоренное расширение. На этом основании мы даже позволили себе (как позже выяснилось – зря позволили) космологическое предположение в нашей по сути не космологической работе 2016 года о том, что наблюдаемое ускорение Вселенной будет уменьшаться со временем. 

При построении новой космологии мы предвидели и трудности. Во-первых, отталкивающая сила в шварцшильдовой метрике сохранялась, только если Вселенная сбрасывала свою массу и больше не набирала её, а значит не могла снова сжаться. Это ставило под сомнение циклическую модель, оставляя нам только космологию одного отскока. Во-вторых, было непонятно, что делать с самой большой черной дырой, которая несомненно образовывалась в ходе слияния черных дыр при сжатии Вселенной предыдущего цикла. Эта дыра была неуничтожима и должна была только расти, поглощая как обычную материю, так и гравитационные волны. Она тоже не укладывалась в модель циклической Вселенной. Отмечу, что проблема самой Большой Черной Дыры для циклической модели эквивалентна проблеме роста энтропии, поднятой Толманом, потому что основная энтропия Вселенной содержится именно в этой дыре.

Ну, решили мы, бросаясь в космологию с головой, поживем – увидим. И действительно, пожили и увидели. Уравнения Фридмана можно получить нестрогим способом из ньютоновских уравнений, но строго, из эйнштейновских уравнений, они получаются непросто, с использованием исходной метрики Фридмана-Робертсона-Уокера. Мы стали исходить из того, что в этой метрике появилось малое возмущение в виде добавки из шварцшильдовской метрики с переменной массой. Процедура введения таких возмущений в метрику ФРУ хорошо отработана (см., например, учебник Дональдсона), но, в отличие от прежних вариантов, мы рассмотрели не мелкомасштабное возмущение, а крупномасштабное, шварцшильдовское. Расчеты получились очень сложными. Пришлось проверять их многократно, да еще и двумя способами (первый способ – всё долго и нудно делаем сами; второй быстрый способ основан на результатах, изложенных в параграфе 100 у Толмана). Рецензент MNRAS, кстати, оценил нашу кропотливость: а то многие норовят провести гравитационные выкладки с помощью специального софта!

Результат расчетов оказался впечатляющим: мы не закладывали руками феноменологическую космологическую постоянную в уравнения Эйнштейна, а исходили из классической версии этого уравнения, где этой постоянной нет. Но в результате вычислений в уравнении Фридмана появилась красивая величина из вторых производных от шварцшильдовского возмущения, которая оказалась эквивалентом космологической постоянной. Она является, конечно, не космологической постоянной, а космологической функцией и зависит от параметров шварцшильдовского возмущения – величины переменной массы и скорости её переменности. При вполне разумных предположениях оценка этой космологической постоянной прекрасно совпадает с наблюдаемым значением, определяемым из данных спутника «Планка».

Таким образом, в статье 2018 года были получены модифицированные уравнения Фридмана и аналитическое выражение для космологической постоянной, а также её числовая оценка, совпадающая по порядку величины с наблюдениями. Напомним, что результаты квантовых космологов по вычислению космологической постоянной, расходились с наблюдениями на 40-120 порядков. Так как мы работаем с возмущениями, то в предельном случае малых возмущений мы получаем уравнение Фридмана обычного вида, в котором феноменологическая космологическая константа неизвестной природы заменилась на аналитическую функцию от известных величин. То, что мы приходим к уравнению Фридмана обычного вида, означает, что наши вычисления в первом приближении согласуются со всеми данными современной наблюдательной космологии, основанными на уравнениях Фридмана и предположении об изотропности Вселенной. Но мы оставили в модифицированном уравнении Фридмана новый член следующего порядка, который может вносить свой вклад в анизотропные эффекты.

Вот сейчас мы можем всерьез поговорить со всеми нашими оппонентами о космологии (многие высказывали космологические претензии к нашей не космологической работе 2016 года, что попросту не по адресу). Отметим, что гравитационные волны как среда сами по себе не играют никакой роли в расширении Вселенной (поэтому никаких теорем, на которые так полагался Павел Иванов в критике нашей статьи 2016 года, мы не нарушаем). Причина её расширения и ускорения расширения лежит исключительно в крупномасштабном гравитационном поле – самой могучей силе для Вселенной. Но гравитационные волны играют важную роль в переменности гравитирующей массы, которая и генерирует нужные поля. Отметим, что решения в обеих статьях 2016 и 2018 года основаны на предположении о переменности гравитационной массы без детального обсуждения причин этой переменности.

Полученные уравнения ожидаемо откорректировали наши ожидания и опасения. Оказалось, что наблюдаемое ускоренное расширение Вселенной соответствует не уменьшению центральной массы, а её увеличению! Замечательный факт, открывающий дорогу к будущему сжатию Вселенной.
Это случилось из-за того, что в наших ожиданиях мы не учли принципиальную разницу между покоящимся шварцшильдовским наблюдателем и сопутствующими фридмановскими «летунами». Её можно понять, вспомнив, как восприятие мира отличается для человека, сидящего на стуле, и для человека, который падает в лифте. Первый думает, что он покоится, в то время как он испытывает постоянное ускорение от стула, а второй может думать, что он не в лифте, а висит где-то в невесомости космоса, в то время как он стремительно движется по геодезической к опасной поверхности Земли. Так же случилось и при переходе к фридмановским наблюдателям – они испытывают ускоренное относительное (!) разбегание друг от друга из-за усиления гравитационного влияния центральной переменной массы. Таким образом, мы пришли к удивительной интерпретации наблюдаемого (в сопутствующей системе) ускоренного расширения Вселенной, как результата роста центральной массы и торможения разлета Вселенной (с точки зрения покоящегося шварцшильдовского наблюдателя). Действительно, если по ночной дороге движется колонна автомобилей с включенными фарами, то факт, что задний автомобиль ускоренно отдаляется от переднего, можно с одинаковой вероятностью интерпретировать, как ускорение первого автомобиля, или как торможение последнего. И кто прав – сами локальные наблюдатели этого определить не могут, это решает только неподвижный светофор. 

Не учитывая этих моментов, мы оказались неправы в своём предположении, что ускорение Вселенной будет уменьшаться. Сейчас это ускорение выражается несложной формулой, куда входят два параметра. Анализ поведения этих величин ещё предстоит сделать, но, по общим соображениям, можно предположить (с четким пониманием, что это очень предварительное предположение), что ускорение Вселенной может увеличиваться – и, видимо, именно в такой фазе расширения Вселенной мы живем. Вообще говоря, исследование новых уравнений возрожденной космологии (=модифицированных уравнений Фридмана) только началось – и они много расскажут интересного о том, как устроен мир.

Новая модель является сильнейшим аргументом в пользу природы тёмной материи как совокупности чёрных дыр и серьёзным предостережением для всех, кто собирается и дальше искать аксионы и прочие гипотетические элементарные компоненты темной материи.

Ещё один бесспорный и впечатляющий результат новой модели: у Вселенной есть центр! Нам долго говорили, что его нет, но его нет только для локально наблюдаемой Вселенной. Шварцшильдовская метрика имеет центр – и там располагается та самая Большая Черная Дыра (мы называем её BBH – Big Black Hole), которая образовалась при слиянии меньших дыр при сжатии Вселенной. Эта дыра пока «небольшая» (по нашим оценкам – порядка миллиарда световых лет) по сравнению с космологическими размерами и располагается на самом краю наблюдаемой части Вселенной, так что её можно почувствовать только по набору анизотропных космологических эффектов, которые систематически указывают в одном направлении. Куда они указывают – сейчас мы это понимаем. Именно быстрый рост BBH из-за поглощения фона гравитационных волн приводит к наблюдаемому «ускорению» расширения Вселенной (правильнее говорить о её дополнительном «растяжении»), а также внушает надежду на построение циклической модели Вселенной. Конечно, другие уцелевшие черные дыры тоже растут при проходе через сжатое состояние Вселенной, готовясь стать гравитационными центрами для формирования галактик и звездных скоплений нового цикла (это решает острую проблему раннего формирования квазаров и галактик и служит одним из главных аргументов для сторонников моделей отскока), но Большая Черная Дыра растёт безусловно быстрее всех за счет своей колоссальной поверхности.

Возрожденная классическая космология полностью свободна от гипотетических полей, от феноменологических космологических постоянных и тёмных субстанций. Отметим, что чёрные дыры, которые заменили «тёмную материю», никак не темны, а наоборот – хорошо знакомы и поддаются наблюдениям. Новая классическая космология существует как решение уравнений Эйнштейна, которые только применять надо с умом, вернее, с уважением к мнению Эйнштейна, Эддингтона и других легендарных знатоков ОТО. Вообще говоря, как только одно интерпретационное предположение в рамках ОТО приводит к решению сразу двух таких проблем как причина Большого Взрыва и механизм наблюдаемого ускорения Вселенной, то все споры от том, правильна ли эта модель или нет, должны заканчиваться - умному достаточно. Кто не понимает разницы между решением в рамках классической ОТО и модельками в рамках какой-нибудь многомерной квантовой гравитации – тому и объяснять бесполезно. 

Сейчас стало понятно, что Вселенная никогда не была микроскопическим квантовым объектом, она имела минимальные размеры в несколько световых лет, то есть её диаметр был сопоставим с нынешним расстоянием до ближайших звёзд. Никаких сингулярностей при сжатии Вселенная не испытывает, потому что взрывчатка из черных дыр всегда обращает её движение вспять раньше сжатия в точку. Вселенная – вполне классический объект, и подчиняется она квантовым законам в такой же степени, как звёзды или галактики. Все многомерные и бесчисленные вселенные также накрылись медным тазом – прости, Голливуд и те, кто собирал урожай с этой полянки многомерной мульти-лапши.

Общей картине космологии отскока и циклической модели Вселенной будет посвящена третья статья, к которой мы уже приступили. В этой статье математики будет мало, за деталями она будет отсылать к двум первым работам. В новой статье будет решена проблема превращения расширения Вселенной в сжатие, а также проблема роста энтропии Вселенной и судьба Большой Черной Дыры.

Хочу еще раз со всей определенностью заявить – мы не изобретаем новую теорию гравитации и не строим новую космологию. Мы строго следуем эйнштейновской теории гравитации, а также берем хорошо разработанную и популярную космологию отскока 80-х годов и просто добавляем к ней набирающую популярность гипотезу о темной материи из чёрных дыр, что сразу дает отсутствовавшую пружину для Большого Взрыва и причину наблюдаемого «ускорения» Вселенной. Вот и всё, тема суперволшебной и суперквантовой космологии закрыта.

Все космологи доброй воли и трезвого ума сейчас могут вернуться в русло нормальной науки, где не надо ничего высасывать из пальца, а нужно просто решать уравнения Эйнштейна, который мудрее нас всех. А интереснейших задач в возрождённой классической космологии – море. Нужно верифицировать все старые решения, стыковавшиеся с наблюдениями (барионные осцилляции, спектр реликтового излучения, происхождение гелия и т.д.), строить теоретические модели анизотропных наблюдаемых эффектов, а также исследовать динамику всех компонент циклической Вселенной, которая всегда в движении.

Кстати, если вы – ПРОФЕССИОНАЛЬНЫЙ гравитационист и/или космолог, который считает, что возрождённая классическая космология с переменной гравитационной массой достойна внимательного рассмотрения, как альтернатива квантовой космологии (заметьте – не истина в последней инстанции, в которую вы верите, а просто модель, которая, с вашей точки зрения, заслуживает анализа), то напишите мне. Я подумаю над декларативной статьей-обращением, под которой могли бы подписаться достаточно большое количество специалистов. Очевидно, что без серьёзного толчка паровоз квантовой космологии, свистящий на миллиард долларов в год, будет пыхтеть еще очень долго.

А сейчас, добро пожаловать в статью-2: