Специалисты Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» объяснили, как могли образоваться черные дыры. Предложенная ими модель не противоречит новым наблюдениям за гравитационными волнами и объясняет высокую скорость формирования массивных черных дыр на раннем этапе существования Вселенной.
Благодаря экспериментальному доказательству существования гравитационных волн ученые получили новый инструмент для наблюдения за космосом. Довольно быстро его стали применять для подтверждения или опровержения моделей, описывающих различные этапы в жизни Вселенной.
Одна из них описывает образование массивных первичных черных дыр в результате коллапса замкнутых поверхностей с повышенной плотностью энергии. Сейчас эту модель, предложенную еще двадцать лет назад, развивает группа НИЯУ МИФИ под руководством профессора Сергея Рубина. В новом исследовании, результаты которого опубликованы в научном журнале Physical Review D, показано, что она не противоречит последним наблюдениям за гравитационными волнами.
Дело в том, что появление массивных первичных черных дыр трудно объяснить стандартным образом. Принято считать, что на формирование объектов требуется как минимум миллиард лет, но уже обнаружены черные дыры, сформировавшиеся через 700 миллионов лет после образования Вселенной. И модель образования черных дыр в результате коллапса замкнутых полевых поверхностей позволяет объяснить этот парадокс.
«Представим, что Вселенная заполнена гипотетическим полем. Его потенциальная энергия (потенциал) зависит от величины этого поля. Никто не знает форму этого потенциала. Но, если предположить, что он имеет два минимума, то может оказаться, что за счет флуктуаций ранней расширяющейся Вселенной в некоторой части пространства поле перепрыгнет через "холмик-максимум" и скатится в минимум. Как известно, вся энергия стремится к минимуму при наличии трения. То есть, основное пространство стремится к одному минимуму, а в маленькой области — оно же стремится к другому. И вот эта маленькая область окружена замкнутой поверхностью, которая способна превратиться в черную дыру», — прокомментировал Сергей Рубин.
Расчеты показали, что если в одной пространственной области существует вероятность перескочить через "холмик-максимум", то и в соседних областях эта вероятность довольно велика. В результате первичные черные дыры образуют скопления-кластеры.
«Самое интересное – что происходит с этими кластерами потом. Ясно, что та область, которая перешла через максимум первой, будет иметь наибольшую массу. Мы не знаем точно, каким будет распределение черных дыр по массам. Это, а также последующая динамика, зависит от параметров модели и начальных условий. Как только первичные черные дыры образовались, они начинают друг с другом взаимодействовать, сталкиваться, сливаться. Кроме того, те черные дыры, которые находились на периферии, начинают захватываться общим расширением пространства и улетают из кластера навсегда. То есть, кластеры начинают жить своей внутренней жизнью, вариться в "супе" ранней Вселенной», — пояснил ученый.
Ученым еще предстоит развить и уточнить модель: необходимо определить размер, температуру и химический состав области, окружающей замкнутую поверхность, а также массу и число черных дыр. Также они планируют проработать предположение о том, что образование замкнутых стенок связано с существованием дополнительных пространственных измерений.