Пульсирующая Вселенная - Николай Николаевич Горькавый

Вселенную — и даже долгое время считали это предсказание своим достижением. Но вопрос о закрытости Вселенной не может быть ключевым экспериментом по выбору между циклической Вселенной и одноразовой инфляционной моделью, потому что, точно следуя анализу Поппера, инфляционисты избегают фальсифицируемости своей модели и готовы подстроиться под любой вариант наблюдений: как только появились публикации о том, что данные Планка указывают на закрытость Вселенной, появились десятки работ по инфляционной теории в замкнутой Вселенной (см., например, Hergt et al., 2022).

Поэтому для выбора между этими двумя конкурирующими моделями нужно рассмотреть более специфические предсказания циклической космологии, которым будут посвящены последующие разделы.

Глава 15. Формирование галактик и шаровых скоплений

И как объяснить, что вопреки второму закону термодинамики, который в его привычном толковании говорит о неизбежном возрастании хаоса и тепловой смерти Вселенной, сама сущность энтропии Вселенной возникла на самом деле с момента ее зарождения?

И. Пригожин, И. Стенгерс (1990)

15.1. Неустойчивость Джинса и образование шаровых скоплений

Согласие астрономии и космологии балансирует на грани; бедные металлами шаровые скопления — самые старые звездные системы во Вселенной — продолжают оставаться предметом напряженного интереса со стороны наблюдателей.

Ольга Сильченко (2017)

Через 380 тысяч лет после Большого взрыва расширяющаяся водородная плазма охладилась до 3 тысяч градусов Кельвина, что вызвало рекомбинацию протонов и электронов и образование атомарного водорода. Такая среда стала прозрачной для фотонов — именно они, растянувшиеся за миллиарды лет в тысячу раз, наблюдаются сейчас в виде реликтового излучения. В среде из темной материи и водорода начала развиваться джинсовская гравитационная неустойчивость (см. Приложение II). Образование сферических облаков Джинса[16] из смеси темной материи, водорода и гелия подтверждается тем, что массы этих облаков хорошо соответствуют массам наблюдаемых шаровых скоплений старых звезд (Peebles, 1993). Вслед за многими авторами мы полагаем, что облака Джинса с массой 105M/ стали первыми структурами, образовавшимися после Большого взрыва. Согласно сценарию, изложенному, например, у Силка (1982), именно эти облака играют ключевую роль в дальнейшем формировании галактик.

Но если темная материя состоит из черных дыр, то большая часть образовавшихся облаков Джинса должна формировать шаровые скопления черных дыр, аналогичные по массе и возрасту шаровым скоплениям из звезд. Процесс их обнаружения весьма затруднителен, так как у них нет (или очень мало) газово-звездной составляющей. Тем не менее такие темные скопления уже начали открываться: термин «темные шаровые скопления» (или «темные звездные скопления») введен в статье Тейлора с соавторами (2015), которые открыли возле галактики Центавр А новый класс шаровых скоплений с аномально высоким отношением масса/светимость. Taylor et al. (2015) полагают, что эти темные скопления могут содержать большое количество темной материи или черную дыру промежуточной массы. Вокруг нашей Галактики тоже летают многочисленные темные скопления, и первое из них (Ursa Major III/UNIONS 1) открыто в начале 2024 года. Для формирования темного гало возле Млечного Пути с массой в 1012M/ потребуется 107 темных шаровых скоплений с массами M 105M/.

В чем разница между темными и яркими (со звездами) шаровыми скоплениями? В статье Горькавого и Тюльбашева (2021) выдвинуто предположение, близкое к гипотезе Taylor et al. (2015): разница заключается в том, что в некоторых шаровых скоплениях, возникших после эпохи рекомбинации, содержатся не только черные дыры звездных масс (до 100 масс Солнца), но и достаточно крупная черная дыра промежуточной массы (до 100 тысяч солнечных масс). Такие дыры благодаря своему размеру значительно повышают возможность захвата (или удержания) газа шаровым скоплением. Ключевым моментом является захват газового облака черной дырой и формирование плотного аккреционного диска. Такой диск образует своеобразный «сачок», с помощью которого темп захвата межзвездного газа возрастает многократно. Именно из такого накопленного газа и вырастают звезды, которые превращают темное скопление в классическое яркое шаровое скопление со старыми звездами (рис. 10). Таких IMBH относительно немного, поэтому ярких шаровых скоплений будет в десятки тысяч раз меньше, чем темных скоплений. Это предсказание можно проверить астрономическими наблюдениями.

Рис. 10. Схема образования и эволюции облаков Джинса и протогалактик в современные дисковые и эллиптические галактики с гало и шаровыми скоплениями звезд

На рис. 10 цифрой 1 отмечены облака Джинса, содержащие только черные дыры звездных масс (SBH); при взаимодействии с галактикой эти облака разделяются на темные шаровые скопления 1A из черных дыр, попадающие в гало галактики и на газовую компоненту (1B, 1C, 1D), присоединяющуюся к газовой подсистеме галактик. 1B — газовое облако, которое возникло при встречном соударении облака Джинса и вращающегося диска: оно обладает малым угловым моментом и падает в центральную часть галактики (балдж); 1C — облако с совпадающим направлением движения и большим угловым моментом, которое захвачено в диск галактики; 1D — газовые облака, которые возникают при взаимодействии облаков Джинса с эллиптическими галактиками и имеют различные ориентации орбитального углового момента, что приводит после усреднения к малому суммарному моменту этих облаков и самой галактики. Цифрой 2 отмечены облака Джинса, содержащие не только небольшие SBH, но и черную дыру промежуточной массы. Это позволяет им создавать яркие шаровые скопления 2A. Звездное скопление Mayall II, которое обладает массой в 10 миллионов масс Солнца и центральной черной дырой массой в 2 × 104M/, может рассматриваться как переходная форма между шаровыми скоплениями и карликовыми (прото)галактиками (3)3A, которые образуются вокруг черных дыр с массой в 104–5M/. Вокруг сверхмассивных черных дыр образуются крупные протогалактики (отмечены цифрой 4), которые эволюционируют в дисковые и эллиптические галактики в зависимости от реализуемого типа аккреции — двумерной или трехмерной.

Черные дыры звездных и промежуточных масс сохраняются при переходе через максимально сжатое состояние Вселенной. Разрушаются ли в сжатой Вселенной темные реликтовые скопления? Это интересный вопрос, для ответа на который нужно построить более детальные динамические модели. Возможно, что все темные скопления возникают заново в каждом цикле Вселенной, но не исключено, что часть темных скоплений являются реликтовыми — приходящими из прошлых циклов.

15.2. Рост спиральных и эллиптических галактик вокруг сверхмассивных черных дыр

Как всегда, теоретикам портят жизнь высококачественные наблюдения... Еще совсем недавно теоретики говорили уверенно: на z > 1 скоплений галактик не существует. Однако наблюдения и тут все испортили.

Ольга Сильченко (2017)

Традиционной моделью образования галактик является иерархическая модель, согласно которой небольшие галактики постепенно сливаются, образуя все более крупные галактики. Книга опытного наблюдателя Ольги