Пульсирующая Вселенная - Николай Николаевич Горькавый

дыр, наблюдаемых LIGO по гравитационному излучению (илл. 12 и 13). На основе этого спектра по размерам был построен спектр генерируемых гравитационных волн, в котором учитывались только гравитационные волны в пике мощности и максимуме частоты — то есть возникающих в момент слияния дыр. Это предположение позволяет однозначно связать размер дыр и частоту генерируемых гравитационных волн (рис. 12).

На рис. 12 нижняя линия показывает распределение черных дыр по размерам. Ось абсцисс уже переведена в частоты, поэтому можно сказать, что это распределение дыр по частотам гравизлучения, итоговый спектр которого отмечен верхней ломаной кривой. Прямоугольник из штрихованной линии — это область наблюдаемого NANOGrav сигнала с наиболее вероятной линией наклона спектра в виде сплошной диагонали, которая продолжена далее штрихами. Она близка к теоретической наклонной линии, которая получена для излучения от пар сверхмассивных дыр. Отметим, что спектр гравволн, который вычисляется на основе модели реликтовых черных дыр, тоже близок по наклону к наблюдаемой кривой (с учетом того,

Рис. 12. Сплошная кривая внизу: спектр масс черных дыр, по данным LIGO, с добавлением черных дыр в двойных звездных системах (Abbot et al., 2020, Черепащук, 2014) в зависимости от частоты гравволн (точками отмечены массы черных дыр на изломах кривой). Сплошной линией вверху показана теоретически рассчитанная амплитуда гравитационного излучения при слиянии черных дыр. Пунктирными частями ломаных кривых показаны зоны с низкой статистикой. Пунктирным прямоугольником показана граница, соответствующая частоте гравитационных волн, обнаруженных NANOGrav (жирная прямая линия, максимум которой совмещен с максимумом модельной кривой). Штрих-пунктирной вертикальной линией показана граница, соответствующая частоте гравитационных волн 3,2 × 10–8 Гц (или 1/год) от слияния черных дыр при 4M/, поэтому справа от этой линии будет сильный дефицит гравволн по сравнению с экстраполированными данными NANOGrav (пунктирное продолжение толстой прямой линии) и теоретическими моделями, основанными на гравитационных волнах от сверхмассивных черных дыр (Jaffe & Baker, 2003)

что в точке, соответствующей 55 массам Солнца, начала теоретической и наблюдательной кривых совмещены).

Мы полагаем, что наиболее достоверная часть распределения черных дыр по размерам (и массам) приходится на интервал от 55 до 22 солнечных масс. После точки, соответствующей 22 массам Солнца, число наблюдаемых черных дыр падает. Вероятнее всего, это эффект наблюдательной селекции, потому что легкие дыры сложнее обнаруживать детектором LIGO. Согласно теориям образования звезд при взрыве сверхновых и моделям накопления черных дыр в циклической Вселенной, максимальное количество дыр должно быть в районе 5M/.

Тем самым спектр гравволн может падать с ростом частоты в зоне lg(f) > –8,2 Гц медленнее, чем показано на рис. 12, а может даже расти в противоречии с предсказанием классических моделей класса A.

Интересно, что на рис. 1 в недавней работе по наблюдениям наногерцовых волн (Antoniadis et al., 2022) можно увидеть тенденцию к росту амплитуды сигнала в интервале f  10–8 — 3,2 × 10–8 Гц, то есть при приближении к периоду колебаний в один год. Насколько эта тенденция достоверна — покажут дальнейшие наблюдения. Наиболее уверенное предсказание модели D, основанной на реликтовых черных дырах астрофизического происхождения, заключается в том, что после периода волн примерно в год, при f > 3,2 × 10–8 Гц, в спектре гравитационных волн будет провал, связанный с отсутствием черных дыр меньше, чем 3–4 массы Солнца. Если этот провал будет подтвержден, это будет ключевым доказательством цикличности нашей Вселенной, потому что никакие другие модели не делают похожего предсказания.

С нашей точки зрения, достоверность открытия стохастического фона гравитационных волн подтверждается и тем, что существование мощного фона реликтовых наногерцовых волн было предсказано в статье Горькавого и Тюльбашева (2021), представленной в журнал в мае 2020 года, за несколько месяцев до опубликования статьи группы NANOGrav об открытии длинных гравволн. Статья Gorkavyi (2022) о конкретном виде спектра гравитационных волн, который генерируют реликтовые черные дыры, была написана весной 2021 года для объяснения данных NANOGrav. В статье не было выдвинуто никаких новых гипотез ad hoc и не делалось каких-либо существенных предположений, а просто рассматривается наблюдаемая популяция черных дыр, которая может объяснить темную материю и динамика накопления которой была изучена в работе Горькавого и Тюльбашева (2021). Gorkavyi (2022) показал, что неизбежный всплеск слияний этих черных дыр при максимальном сжатии пульсирующей Вселенной легко объясняет открытый фон наногерцовых гравитационных волн.

Мы считаем, что данные NANOGrav и PPTA подтверждают гипотезу о том, что черные дыры могут составлять основную часть темной материи (Bird et al., 2016; Kashlinsky, 2016; Clesse & Garcia-Bellido, 2017) и что значительная часть наблюдаемых черных дыр пришла из прошлого цикла пульсирующей Вселенной (Carr & Coley, 2011; Gurzadyan & Penrose, 2013; Clifton et al., 2017). Примечательно, что параметр красного смещения z  1010, вытекающий из требования эффективной фотодиссоциации атомных ядер на стадии максимального сжатия в циклической Вселенной, оказывается как раз таким, чтобы частота реликтовых гравитационных волн, растягиваясь, совпала с частотой гравитационных волн, наблюдаемых NANOGrav и PPTA! Еще одна явная неслучайность — в добавление к списку совпадений в разделе 19.1.

Из нашей модели можно сделать конкретные выводы, которые можно проверить наблюдениями:

1. Спектр наногерцовых гравволн не будет описываться законом Планка или каким-либо другим законом, связанным с тепловым равновесием. Реликтовые фоновые гравволны должны отражать наблюдаемое распределение черных дыр (SBHs и SMBHs).

2. Амплитуда реликтовых гравволн слабо меняется с увеличением частоты до периода в один год, но потом она должна быстро уменьшаться с ростом частот f > 3,2 × 10–8 Гц (или f > 32 нГц) (период колебаний меньше года) из-за отсутствия астрофизических черных дыр с массами <4M/. Эта особенность спектра не предсказывается любой другой моделью, в том числе основанной на гипотезе о первичных черных дырах, рожденных в результате Большого взрыва.

3. Многочисленные сверхмассивные черные дыры, которые в настоящее время наблюдаются в центрах галактик, должны генерировать во время Большого сжатия ультранизкочастотные (в настоящее время) GWB f  10–14 –10–17 Гц.

20.3. Реликтовые килогерцовые гравитационные волны

Согласно циклической космологии, суммарная энергия гравитационных волн должна быть близка к критической плотности замкнутой Вселенной — см. Приложение II, раздел 2, формулы (33), (35). Но энергия фоновых наногерцовых гравитационных волн, недавно открытых консорциумом NANOGrav, оказалась мала по сравнению с критической плотностью. Это выглядит неожиданным, потому что эти волны возникли в момент максимального сжатия Вселенной, когда частота слияний и концентрация черных дыр была самой большой. Гравитационные волны от сотен герц и ниже генерируются как при слиянии черных дыр, так и при аккреции вещества