Большой взрыв, возможно, не был началом вселенной, согласно теории космологии, которая предполагает, что вселенная может «прыгать» между фазами сжатия и расширения. Если эта теория верна, то она может иметь глубокие последствия для природы космоса, включая два его самых загадочных компонента: черные дыры и темную материю.
Учитывая это, недавнее исследование предполагает, что темная материя может состоять из черных дыр, образовавшихся во время перехода от последнего сжатия Вселенной к текущей фазе расширения, которая произошла до Большого взрыва. Если эта гипотеза верна, гравитационные волны, генерируемые в процессе формирования черных дыр, могут быть обнаружены будущими обсерваториями гравитационных волн, что предоставит способ подтвердить этот сценарий генерации темной материи.
Наблюдения за движением звезд в галактиках и космическим микроволновым фоном — послесвечением Большого взрыва — показывают, что около 80% всей материи во Вселенной — это темная материя, субстанция, которая не отражает, не поглощает и не испускает свет. Несмотря на ее обилие, ученые до сих пор не определили, из чего состоит темная материя.
В новом исследовании ученые изучили сценарий, в котором темная материя состоит из первичных черных дыр, образовавшихся из флуктуаций плотности, которые произошли во время последней фазы сжатия Вселенной, незадолго до периода расширения, который мы наблюдаем сейчас. Они опубликовали свои выводы в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
Традиционный космологический взгляд на вселенную предполагает, что она началась с сингулярности, за которой последовал короткий период чрезвычайно быстрого расширения, называемого инфляцией. Однако авторы нового исследования проанализировали более экзотическую теорию, известную как несингулярная космология отскакивания материи, которая утверждает, что вселенная сначала прошла фазу сжатия. Эта фаза закончилась отскоком из-за увеличения плотности материи, что привело к Большому взрыву и ускоренному расширению, которое мы наблюдаем сегодня.
В этой отскакивающей космологии Вселенная сжалась до размеров примерно на 50 порядков меньше, чем сегодня. После отскока родились фотоны и другие частицы, ознаменовав Большой взрыв. Вблизи отскока плотность материи была настолько высокой, что небольшие черные дыры образовались из квантовых флуктуаций в плотности материи, что сделало их возможными кандидатами на темную материю.
«Маленькие первичные черные дыры могут образовываться на самых ранних стадиях развития Вселенной, и если они не слишком малы, их распад из-за излучения Хокинга [гипотетическое явление испускания черными дырами частиц из-за квантовых эффектов] будет недостаточно эффективным, чтобы избавиться от них, поэтому они все еще будут существовать сейчас», — сказал Патрик Питер, директор по исследованиям Французского национального центра научных исследований (CNRS), который не принимал участия в исследовании. «Вес их примерно равен массе астероида, они могли бы способствовать образованию темной материи или даже полностью решить эту проблему».
Расчеты ученых показывают, что свойства этой моды вселенной, такие как кривизна пространства и микроволновый фон, соответствуют текущим наблюдениям, что подтверждает их гипотезу.
Для дальнейшей проверки своих предсказаний исследователи надеются использовать гравитационно-волновые обсерватории следующего поколения. Ученые рассчитали свойства гравитационных волн, образующихся при образовании черных дыр в своей модели, и обнаружили, что их могут обнаружить будущие гравитационные обсерватории, такие как Laser Interferometer Space Antenna (LISA ) и Einstein Telescope. Эти обнаружения могут подтвердить, действительно ли первичные черные дыры являются темной материей; однако может пройти более десятилетия, прежде чем любой из этих объектов увидит первый свет.
«Эта работа важна в том смысле, что она обеспечивает естественный способ формирования небольших, но все еще существующих черных дыр, формирующих темную материю в рамках, которые не являются обычными, основанными на инфляции», — сказал Питер. «Другие работы в настоящее время исследуют поведение таких крошечных черных дыр вокруг звезд, что потенциально ведет к способу их обнаружения в будущем».
