Пульсирующая Вселенная - Николай Николаевич Горькавый

на черные дыры. Мощная вспышка гравитационных волн на финальной стадии коллапса вызвала уменьшение гравмассы Вселенной, антигравитацию и Большой взрыв. Почему фон этих гравитационных волн оказался в настоящее время незначительным по энергии? Потому что при расширении Вселенной в 1010 раз (от 10 световых лет до современного размера) частота, а следовательно и энергия реликтового гравитационного излучения, уменьшается на этот коэффициент. Но, как показывают данные LIGO, черные дыры звездных масс, самые многочисленные в популяции дыр, сливаются и сейчас. Современные слияния черных дыр происходят гораздо реже, чем при Большом взрыве, зато гравитационные волны, образованные при нынешних слияниях, имеют небольшое красное смещение и сохраняют свою начальную частоту в сотню герц. Можно ли сравнить энергию гравитационных волн, пришедших от начала Большого взрыва и от слияний близких черных дыр? В циклической Вселенной фоновые гравитационные волны, как и черные дыры, накапливаются в течение многих циклов. Гравитационная волна, рожденная в какую-то эпоху, соответствующую конкретному радиусу Вселенной, будет при последующем сжатии Вселенной увеличивать свою частоту, а при расширении в следующем цикле — снова уменьшать, проходя свое начальное значение частоты именно на том радиусе Вселенной, когда волна родилась. Поэтому вокруг нас должны наблюдаться как волны, рожденные в момент Большого взрыва нашего цикла, так и волны, возникшие в эпоху максимального расширения Вселенной в прошлых циклах. Если гравитационные волны от Большого взрыва уменьшили к нашему времени свою частоту до наногерцового диапазона, то волны из эпохи максимального размера Вселенной, наоборот, приходят к нам с повышенной частотой, потому что наблюдаемая часть Вселенной нашего цикла еще не достигла максимального размера, когда эти волны образовались.

Рассмотрим простую модель генерации гравитационных волн в разные эпохи расширения Вселенной. Пусть максимальная частота слияний дыр звездных масс приходится на минимальный размер Вселенной R0  10 световых лет. При расширении Вселенной до размера Rx частота слияний черных дыр падает как

. Далее мы полагаем, что ко времени расширения Вселенной до размера Rx черные дыры образуют гравитационно связанные шаровые скопления, которые больше не расширяются. Тем самым падение частоты слияния черных дыр останавливается. Мы будем полагать, что эта частота остается примерно постоянной — вплоть до максимального радиуса Вселенной Rmax  1 триллион световых лет (будем рассматривать только стадию расширения, полагая, что стадия сжатия Вселенной повторяет рассматриваемые процессы, только в обратном порядке). Проинтегрируем с учетом космологического красного смещения наблюдаемую в настоящий момент энергию гравитационных волн E0, возникших при эволюции Вселенной от размера R0 до Rx, и энергию волн E, сгенерированных при изменении размеров Вселенной от Rx до Rmax. Несложно получить простую формулу: , (13)

где принята оценка Rx  106 световых лет и условие Rmax ≫ Rx ≫ R0. Следовательно, хотя энергия фоновых гравитационных волн имеет заметный пик на наногерцовой частоте, основная энергия (возможно, в миллионы раз большая!) будет содержаться в главном пике килогерцовых гравитационных волн, образованных при слиянии черных дыр звездных масс в момент максимального расширения Вселенной. Частота таких килогерцовых волн будет равна  ≈ 0(Rmax/Rc)  2000 Гц, где Rc ≈ 46 млрд световых лет — современный радиус Вселенной, а 0  100 Гц — частота современных гравитационных волн, регистрируемых LIGO.

Отношение максимального размера Вселенной к минимальному составляет 1011. Волны, которые родились при слиянии черных дыр звездных масс в момент максимального сжатия Вселенной, имеют частоту 102 Гц. Следовательно, во время максимального расширения эти волны будут иметь частоту в 10–9 Гц. Волны, которые родились при слиянии черных дыр в эпоху максимального размера Вселенной, наоборот, сожмутся при коллапсе до частоты в 1013 Гц, то есть будут иметь длину волны в доли миллиметра. Полагаем, что в этот момент высокочастотные гравитационные волны будут максимально диссипировать, дополнительно нагревая плазму сжатой Вселенной. Эта диссипация гравитационных волн будет уравновешивать их генерацию при слиянии черных дыр.

Обратим внимание, что вывод предыдущего раздела о дефиците гравитационного излучения на периодах меньших года основывался на наблюдаемом распределении черных дыр по массам и относился к частотному спектру гравитационных волн, рожденных в момент максимального сжатия Вселенной. Если учесть генерацию гравитационных волн в более поздние периоды Вселенной, то можно оценить, что минимум энергии фона гравитационных волн будет лежать в миллигерцовой области  ≈ 0(Rx/Rc)  10–3 Гц. Окончательные заключения о спектре фоновых гравитационных волн может дать только детальное моделирование, а также более точные наблюдения миллисекундных пульсаров. Отметим, что детектор LIGO не приспособлен для регистрации фоновых гравитационных волн, он может улавливать волны лишь от близких отдельных слияний черных дыр. Поэтому имеет смысл разработать способы регистрации самых энергичных фоновых волн килогерцового диапазона.

Возможно, фон реликтовых волн высокой частоты уже как-то проявляется в астрономических наблюдениях. Известны загадочные килогерцовые квазипериодические осцилляции, открытые, например, в гамма-всплесках, где в частотном спектре двух событий отмечены пики с практически одинаковыми частотами в 2612 и 2649 Гц (Chirenti et al., 2023). Не исключено, что эта совпадающая частота вызвана влиянием фоновых килогерцовых пространственно-временных колебаний.

Глава 21. Прошлое и будущее Вселенной

Скудость познания мысль беспокоит тревожным сомненьем,

Именно: было иль нет когда-то рождение мира,

И предстоит ли конец, и доколь мироздания стены

Неугомонный напор движения выдержать могут;

Или, по воле богов одаренные крепостью вечной,

Могут, в течение веков нерушимо всегда сохраняясь,

Пренебрегать необъятных веков сокрушительной силой?

Тит Лукреций Кар. «О природе вещей» (60-й год до н. э.)

Эта книга посвящена построению и анализу циклической модели Вселенной. Механизмы, которые лежат в основе периодического расширения и сжатия нашего мира, восхищают своей элегантностью и неизбежностью. Как возникло это глубоко закономерное мироустройство? Была ли случайная флуктуация его началом или мы имеем дело с детерминированным процессом рождения Вселенной? И какова прочность мирового механизма? Сколько циклов он может еще выдержать, не сломавшись?

В ответ мы можем только строить гипотезы, шаткие и неподтвержденные. Не переоценивая надежности этих предположений, полагаем, что для развития науки важны даже такие зыбкие начальные умопостроения.

21.1. Размышления о самом первом цикле Вселенной

Все возникающее должно иметь какую-то причину для своего возникновения, ибо возникнуть без причины совершенно невозможно.

Платон

Статическую бесконечную Вселенную можно было бы