Пульсирующая Вселенная - Николай Николаевич Горькавый

баланса противоположных тенденций. Например, если этот радиус будет больше оптимального, то при сжатии Вселенной не будет достигнута нужная температура фотодиссоциации ядер тяжелых элементов. Если же этот радиус будет меньше оптимального, то в такой объем не вместятся все черные дыры, существующие во Вселенной.

19.2. Гравитационно-волновое эхо Большого коллапса

В статье Горькавого и Тюльбашева (2021) было показано, что в момент максимального сжатия Вселенной происходит массовое слияние черных дыр, которое порождает мощную вспышку гравитационного излучения (рис. 11).

Гравитационное излучение двойной системы имеет частоту вращения черных дыр вокруг центра инерции системы. Максимум частоты вращения достигается, когда расстояние между дырами становится близко к размеру черной дыры. Так как типичное значение массы черных дыр составляет несколько масс Солнца, то нетрудно показать, что в пике мощности вспышки гравитационного излучения ее частота должна быть близка к сотне герц (см. Приложение II). Именно такое излучение при современном слиянии пар черных дыр звездных масс регистрируется детектором LIGO. Естественно, при сжатии Вселенной темп таких слияний был неизмеримо выше, и мощность излучения в момент максимального коллапса была исключительно высока (при сохранении тех же частот гравитационных волн).

Любое излучение, возникшее на ранних стадиях Вселенной, испытывает красное смещение, то есть увеличение длины волны в z раз. Это увеличение примерно равно отношению современного диаметра Вселенной к реликтовому размеру нашего мира во время вспышки гравитационного излучения. Как обсуждалось в разделе 19.1, целый

Рис. 11. Эволюция (a) реликтовых электромагнитных волн и (б) реликтового гравитационного излучения во Вселенной при Большом сжатии и Большом взрыве. При сжатии тяжелые ядра распадаются на барионы, а также образуется самая Большая Черная Дыра. Рисунок из статьи Gorkavyi et al. (2018), с модификациями

ряд фактов указывает на то, что минимальный размер Вселенной, при котором количество слияний черных дыр было максимальным, составляет несколько световых лет, что соответствует z  1010. Следовательно, длина волны реликтового излучения испытала красное смещение на 10 порядков, поэтому волны с частотой в 100 Гц, возникшие при Большом сжатии, должны превратиться в волны с современной частотой 10–8 Гц (см. рис. 11).

Как черные дыры накапливаются в течение многих сотен циклов, так и длинноволновое гравитационное излучение должно переходить из цикла в цикл, увеличивая свою суммарную энергию и создавая фон реликтовых гравитационных волн (GWB — Gravitational Wave Background) (см. рис. 11). И сейчас вокруг нас существует не только смесь черных дыр из сотен космологических циклов, но и фон гравитационных волн разных возрастов. Как было показано в разделе 12.2, примерно 0,1–1 % массы Вселенной при каждом сжатии Вселенной может превращаться в гравитационные волны. Если накапливать эти волны в течение 100–1000 космологических циклов, то суммарная энергия таких реликтовых гравитационных волн будет сопоставима с общей энергией Вселенной. Как показано расчетами Горькавого и Тюльбашева (2021), примерно такое же количество циклов требуется, чтобы во Вселенной установилось стационарное распределение черных дыр по массам.

Статья Горькавого и Тюльбашева, где был предсказан «высокий уровень реликтового гравитационного излучения, порождаемого в момент максимальных сжатий Вселенной и массовых слияний черных дыр», была написана весной и отправлена летом 2019 года в «Астрономический журнал», но натолкнулась на малоквалифицированных (или предубежденных, что равносильно недостаточной квалификации) рецензентов. 6 мая 2020 года статья была направлена в «Астрофизический бюллетень» и после длительных дискуссий с рецензентами была принята к печати 3 марта 2021 года. Мы отмечаем эти даты, чтобы сопоставить их с публикациями осени-зимы 2020 года, где было описано открытие наногерцовых гравитационных волн на основе радионаблюдений пульсаров. Эти наблюдения будут рассмотрены в следующей главе.

Глава 20. Открытие предсказанного фона реликтовых гравитационных волн

Переход к существованию мира был «оплачен», несомненно, великолепным энтропическим взрывом, цену которого мы можем теперь измерить с помощью излучения, открытого Пензиасом и Вильсоном...

И. Пригожин, И. Стенгерс (1990)

Нобелевский лауреат Илья Пригожин глубоко чувствовал физику Вселенной и называл Большой взрыв энтропическим взрывом. Он понимал, что такое событие должно представлять собой всплеск энтропии. Эта мысль Пригожина подтверждается нашей космологической моделью, где Большой взрыв сопровождается быстрым образованием набора сверхмассивных черных дыр и самой Большой Черной Дыры, что эквивалентно стремительному росту энтропии, которая содержится в черных дырах (см. рис. 8). Прямым свидетелем тех событий является не только реликтовое микроволновое излучение, но и реликтовые гравитационные волны наногерцового диапазона.

20.1. Наблюдения наногерцовых волн по сигналам пульсаров

Пульсары представляют собой высокоточные источники периодических сигналов. Самыми точными «космическими часами» среди них являются миллисекундные пульсары, вращающиеся со скоростью 100–700 оборотов в секунду. Эти пульсары очень стары и часто находятся в шаровых скоплениях гало (может, среди этих пульсаров есть и реликтовые нейтронные звезды?). Точность хода таких космических часов лучше, чем атомных. Именно возле миллисекундного пульсара были обнаружены первые экзопланеты, которые своим орбитальным движением смещали частоту сигнала пульсара.

В 1978 году астрофизик Михаил Сажин из московского Астрономического института им. Штернберга предложил метод прямой регистрации гравитационных волн наногерцового диапазона с использованием пульсаров в качестве точных часов («Возможности детектирования сверхдлинных гравитационных волн»). Идея метода была в том, что в гравитационной волне пространство-время искривляется, поэтому и скорость времени испытывает периодические колебания. Если между Землей и пульсаром, который находится, например, на расстоянии тысячи световых лет, время колеблется из-за гравитационной волны, то частота получаемого пульсарного сигнала будет соответственно варьироваться. Сажин рассмотрел разные варианты генерации сверхдлинных волн и пришел к выводу, что перспективным источником может быть пара сверхмассивных объектов в 1010 солнечных масс, вращающихся друг вокруг друга с периодом 10 лет. Через год в Astrophysical Journal астроном Йельского университета Стивен Детвейлер опубликовал аналогичное исследование, сославшись на статью Сажина. Он полагал, что таким методом можно будет регистрировать гравитационную волну с периодом в 1–10 лет и уровнем безразмерной амплитуды в 10–11.

Первый миллисекундный пульсар был открыт в 1982 году. Разработка теоретических методов анализа сигналов таких пульсаров потребовала много лет. С 2005 года стала накапливаться база данных с точными наблюдениями сигналов миллисекундных пульсаров, которая была пригодна для поиска сверхдлинных фоновых гравитационных волн. Около полутора десятков крупнейших радиотелескопов мира объединились в международный консорциум для сбора данных по миллисекундным пульсарам. В него вошли радиотелескопы США, Канады, Европы, Австралии, Китая и Индии.

Команда NANOGrav (североамериканский консорциум из пяти крупных радиотелескопов) накопила и исследовала 11-летний массив данных, но не нашла следов сверхдлинных волн. Но в сентябре 2020 года командой NANOGrav был опубликован препринт анализа 12,5-летнего массива данных с использованием усовершенствованной методики