Пульсирующая Вселенная - Николай Николаевич Горькавый

— одномерная дисперсия скоростей, что приводит к финальному выражению закона Фабера — Джексона: (10)

Таким образом, гравитационные возмущения от облаков Джинса на краю галактик в эпоху их формирования вокруг сверхмассивных черных дыр являются механизмом, объясняющим соотношения как Талли — Фишера, так и Фабера — Джексона.

Еще более загадочной закономерностью является так называемое M — , или М-сигма-соотношение. Масса центральной сверхмассивной черной дыры M0 обычно составляет малую часть ( 0,1 %) от массы балджа (центральной части дисковой галактики). Тем не менее существует высокая корреляция между массой локальной SMBH и таким глобальным параметром, как дисперсия звездных скоростей в балдже. Отметим, что орбиты звезд в галактическом балдже имеют большой эксцентриситет, сопоставимый с эксцентриситетом орбит светил в эллиптических галактиках. М-сигма-соотношение между массой SMBH и дисперсией скоростей M0 ∝ 4 близко к зависимости (10).

Статистическое М-сигма-соотношение, полученное для галактической популяции, означает, что SMBH находятся в центре каждой галактики и играют важную роль в их формировании. Но не существует убедительных моделей, которые бы смогли связать черную дыру, масса которой незначительна в масштабе галактики, с таким параметром, как средняя дисперсия скоростей в массивном балдже. Особенно трудно объяснить М-сигма-соотношение в рамках моделей, которые предполагают рост SMBH уже после образования галактик: такие модели не могут объяснить слишком быстрый рост центральных дыр, а также противоречат факту существования маленьких галактик с огромными SMBH. Например, уже обнаружены карликовые галактики с SMBH, масса которых достигает половины массы балджа.

Рассмотрим М-сигма-соотношение в рамках аккреционной теории образования галактик. Из условия (6) следует, что площадь галактического диска пропорциональна его массе: R 2 ∝ M. Аккреционный рост галактики прямо зависит от площади ее диска, а следовательно, и от ее массы:

(11)

Уравнение (11) приводит к экспоненциальному закону роста галактики

, где  — постоянная (инкремент роста). Можно ожидать, что масса начального диска пропорциональна массе SMBH. Таким образом, под массой M0 можно понимать массу центральной SMBH с каким-то коэффициентом. Следовательно, уравнение (11) и его решение связывают массу центральной дыры с массой окружающего ее балджа. Учитывая (11), мы получаем обоснование соотношения М-сигма: связи массы SMBH и одномерной дисперсии хаотических скоростей в балдже: (12)

Более детальные вычисления для М-сигма-соотношения приведены в Приложении II.

Таким образом, труднообъяснимая М-сигма-зависимость легко получилась для модели циклической Вселенной с популяцией реликтовых сверхмассивных черных дыр, вокруг которых формируются галактики. Способность циклической космологической модели решать застарелые проблемы галактической динамики является весомым аргументом в пользу периодической Вселенной.

Обилие SMBH на ранних стадиях Вселенной до сих пор загадка (Bischetti et al., 2022). Запущенный в конце декабря 2021 года Вебб-телескоп начинает изучать самые ранние эпохи Вселенной, когда образовывались первые галактики и звезды. Можно надеяться, что скоро мы получим ответ на вопрос: существовали ли уже тогда сверхмассивные черные дыры, которые стали затравками образования галактик?

К 2024 году телескоп Вебба (JWST), инициатива создания которого принадлежит Джону Мазеру, открыл множество древних черных дыр и галактик. Многие стали считать, что JWST революционно перевернул космологию ранней Вселенной с ног на голову. Полагаю, что все обстоит наоборот: этот замечательный инструмент вернул космологию в нормальное положение — это раньше она была вверх тормашками.

Глава 16. Анизотропия Вселенной

Однако следует подчеркнуть, что этот вывод в настоящее время не представляется надежным. Используя разные выборки данных и/или разные методы анализа, люди получали совершенно разные результаты...

В. Жао, Л. Сантос (2016)

Изотропная и однородная космологическая модель является настолько общепринятой парадигмой, что вызывает удивление обилие исследований, которые обнаруживают признаки глобальной анизотропии Вселенной. Эти работы дают результаты с большим разбросом вплоть до противоположных вариантов, тем не менее общий вектор выводов вырисовывается вполне убедительным. Вектор — это не в переносном смысле, а в буквальном, потому что многие исследователи, не сговариваясь, указывают на определенную область неба. Детальный анализ этих исследований требует отдельной монографии, поэтому в нашей книге мы остановимся только на наиболее надежных, с нашей точки зрения, работах.

16.1. Глобальная анизотропия постоянной Хаббла

Экспериментаторы всегда переоценивают точность своих данных и склонны совершать ошибки, поэтому не стоит сразу реагировать на их сообщения.

П. А. М. Дирак (1981)

Изотропия распределения реликтового излучения, открытого Пензиасом и Вильсоном в 1965 году, стала сильным подтверждением изотропной модели Вселенной. Но одновременно этот эффект вызвал активные поиски анизотропии реликтового фона электромагнитного излучения (то есть определение степени его изотропии), как и признаков анизотропии в распределениях других космических объектов (квазаров, галактик и их скоплений). Отметим, движение Земли и Млечного Пути относительно реликтового излучения определяет очевидную анизотропию дипольного типа (на уровне 10–3) из-за смещения Доплера. Эта физически прозрачная анизотропия маскирует возможные и более интересные дипольные эффекты, связанные с глобальной анизотропией Вселенной.

Поиски мелкомасштабной анизотропии реликтового излучения увенчались успехом: она была открыта на уровне 10–5 в данных спутников COBE и «Реликт» в начале 90-х годов и с тех пор активно изучается, например, по данным спутников WMAP и «Планк». Такая мелкомасштабная анизотропия не имеет отношения к глобальной космологической анизотропии, которая, исходя из общих соображений, должна иметь, в первую очередь, дипольный или квадрупольный характер. Интересно, что именно величина наблюдаемого квадрупольного момента реликтового излучения представляет проблему для теории инфляции.

Целый ряд работ выявили в наблюдательных данных глобальную анизотропию распределения различных космических объектов или их свойств. Рассмотрение этих работ выходит за рамки задач данной книги. Мы ограничимся описанием интересного исследования, которое показало, что распределение постоянной Хаббла по небу имеет отчетливую квадрупольную анизотропию.

В 2020 году группа исследователей из Германии и США во главе с К. Мигкасом опубликовала статистическое исследование многих сотен скоплений галактик. Кластеры галактик наблюдались в рентгеновском диапазоне, и для каждого скопления были определены температура, светимость и расстояние до него. Это удалось благодаря корреляции, которая существует для рентгеновской светимости и температуры газа в скоплениях. Существенным оказалось и то, что скопления галактик хорошо наблюдаются во всех направлениях, поэтому они достаточно равномерно покрывают небо (за исключением полосы вдоль галактической плоскости), в то время как такие «космические маяки», как сверхновые, распределены гораздо неравномерней.

Исследование Мигкаса и соавторов позволило надежно определить постоянную Хаббла или скорость расширения Вселенной в конкретном направлении. Как оказалось, расширение Вселенной является анизотропным, имея квадрупольную составляющую около 10–15 % (илл. 15). Карта неба на цветной илл. 15 дана