Стандартната космическа история започва преди около 13,8 милиарда години с изключително гореща и плътна Вселена, която след това се е разширила, изстивала и постепенно се е изпълвала с галактики. Нов космологичен модел предлага да се надникне отвъд тази граница. Големият взрив може да не е бил абсолютното начало, а преход от по-ранен етап на свиване към настоящото разширяване. В такъв случай някои черни дупки са могли да възникнат още преди прехода, да го преживеят и да се запазят до съвременната епоха.
Подобни древни обекти биха могли да съхраняват информация за периода, който стандартната космология не описва. Същите тези черни дупки потенциално са способни да обяснят част от тъмната материя и да помогнат да се разбере защо масивните структури са се появили във Вселената толкова рано.
Стандартният космологичен модел успешно описва реликтовото излъчване, останало след горещия ранен етап, и разделянето на галактиките на огромни разстояния. Но при опит да се проследи историята в обратна посока Общата теория на относителността води до сингулярността на Големия взрив. Плътността в тази точка математически клони към безкрайност, а известните физични закони престават да дават годно описание на случващото се.
Сингулярността като граница на стандартните теорииМного физици разглеждат сингулярността не като задължително доказателство за реална безкрайна плътност, а като признак, че теорията е достигнала границата на своята приложимост. Космологията с модела на отскок предлага друг сценарий. Преди настоящото разширяване е съществувала по-ранна Вселена, която постепенно се е свивала и е ставала все по-плътна.
Свиването би продължило до изключително висока, но крайна плътност. След това квантовите ефекти са създавали налягане, достатъчно силно, за да спре по-нататъшния колапс. Вселената е преставала да се свива и е преминавала към разширяване. Ето защо вместо сингулярност моделът получава физически преход между двата етапа на космическата еволюция.
Самият механизъм на налягането, което не позволява на материята да се свива безгранично, вече е познат от физиката на плътните звездни обекти. Квантовите ефекти помагат да се противостои на гравитацията в белите джуджета и неутронните звезди. Новият модел пренася същия принцип върху Вселената като цяло: при достатъчно голяма плътност квантовото налягане спира глобалното свиване и задейства разширяването.
Особено важни са процесите непосредствено преди космологичния отскок. По време на свиването отделни области са могли да станат толкова плътни, че собствената им гравитация да ги превърне в черни дупки. Някои компактни обекти, според изчисленията, са способни да преминат през прехода и да се запазят след началото на разширяването.
Какво показват изчислениятаИзчислената граница е приблизително 90 метра. Компактните обекти, по-големи от този размер, са могли да преживеят отскока и да продължат съществуването си в новата фаза на Вселената. Освен черни дупки, от предишния етап са могли да се запазят гравитационни вълни и флуктуации в плътността.
Друга част от черните дупки е могла да възникне скоро след отскока. Преходът е усилвал колебанията в плътността, затова веществото в ранната Вселена се е разпределило неравномерно. В най-плътните области гравитацията по-бързо е събирала материя, което е улеснявало ранната поява на черни дупки и големи космически структури.
Механизмът помага да се обясни защо първите масивни обекти са могли да възникнат по-рано, отколкото допускат по-стандартните сценарии. Ако веднага след отскока във Вселената вече са съществували големи черни дупки или особено плътни области, по-нататъшната еволюция не е започвала от почти еднородно разпределение на веществото. Галактиките са получавали готови гравитационни центрове, около които материята е могла да се събира по-бързо.
Космологичният отскок същевременно засяга и проблема за инфлацията. Така се нарича изключително краткият етап на стремително разширяване на ранната Вселена. Инфлацията обяснява защо огромни области от космоса са толкова еднородни и защо отдалечени участъци притежават много сходни свойства, макар днес да са разделени от колосални разстояния.
Квантовите процеси
В новия модел преходът от свиване към разширяване е способен да възпроизведе динамиката, която обикновено се свързва с инфлацията. Квантовите процеси при отскока също така могат да създават и усилват първоначалните неравномерности. По-късно гравитацията превръща тези малки разлики в плътността в галактики, купове и други големи структури.
Авторите на модела свързват същия механизъм с още един неразрешен проблем: ускореното разширяване на съвременната Вселена. Наблюденията показват, че космическото разширяване се ускорява с течение на времето. Стандартният модел обяснява ускорението с тъмната енергия, но физичната природа на тъмната енергия и досега остава неизвестна. Моделът на отскока допуска общо физическо описание за процесите, свързани с ранното и с настоящото ускорено разширяване.
Най-забележителното следствие засяга тъмната материя. Обикновената материя, от която са съставени звездите, планетите и междузвездният газ, отстъпва по количество спрямо нея около пет пъти. Тъмната материя не излъчва и не поглъща светлина във форма, достъпна за директни наблюдения, но гравитацията издава нейното присъствие. Без допълнителната невидима маса е трудно да се обясни движението на звездите в галактиките и разпределението на веществото на големи космически скали.
Черните дупки като част от невидимата масаЧерните дупки, възникнали преди отскока или скоро след него, биха могли да съставляват част от невидимата маса. Ако ранната Вселена е произвела достатъчно много подобни обекти, тяхната сумарна маса е способна да даде значителен дял от тъмната материя. Изчисленията допускат и краен вариант, при който древните черни дупки обясняват цялата ѝ наблюдавана плътност.
Подобно обяснение не изисква въвеждането на неизвестна елементарна частица като носител на тъмната материя. Черните дупки почти не произвеждат собствено електромагнитно излъчване и се проявяват основно чрез гравитацията. Основната проверка се свежда до тяхното количество и разпределението на масите им: древните черни дупки трябва да са достатъчно много, но същевременно тяхната популация не бива да противоречи на вече натрупаните астрономически данни.
Допълнителен интерес към хипотезата е свързан с наблюденията на космическия телескоп „Джеймс Уеб“. Телескопът откри в ранната Вселена неочаквано масивни обекти, както и компактни източници, получили названието „малки червени точки“. Много астрономи свързват част от тази популация с активно растящи черни дупки.
Проблемът се крие във възрастта на откритите обекти. Някои масивни черни дупки са съществували в период, когато след Големия взрив е изминало сравнително малко време. Обичайните сценарии трябва да обясняват как първоначално малките черни дупки са успели толкова бързо да натрупат маса.
Космологичният отскок предлага различен начален набор от условия. Масивните черни дупки са можели да съществуват веднага след прехода към разширяване, ако част от обектите са преживели предишния етап. Тогава на ранните галактики не се е налагало първо да разчитат на съществуването на голяма черна дупка от малък предшественик. Материята е можела веднага да се събира около вече масивен гравитационен център.
Как може да бъде проверена тази нова и революционна хипотезаХипотезата може да бъде проверена чрез няколко независими направления на наблюдение. Един от вариантите е свързан с реликтовите гравитационни вълни, възникнали по време на предишния етап на свиване. Ако част от вълните са преживели отскока, съвременната Вселена трябва да пази техния фон с характеристики, различаващи се от сигналите, възникнали вече след началото на разширяването.
Друг възможен източник на информация е реликтовото излъчване. Малките промени в неговата температура и поляризация са запазили данни за условията в ранната Вселена. Процесите преди отскока са могли да оставят в това излъчване слаби статистически особености, които бъдещите наблюдения ще позволят да се сравнят с предсказанията на модела.
Хипотезата все още не доказва съществуването на епоха преди Големия взрив и не потвърждава, че древните черни дупки наистина съставляват тъмната материя. Проверката изисква откриването на конкретни следи: реликтови гравитационни вълни, особености в реликтовото излъчване или популация от черни дупки с параметри, които са трудни за обяснение от гледна точка на тяхното възникване и настоящото ускоряващо се разширяване на Вселената.