Черные дыры состоят из темной энергии?

Исследователи из Гавайского университета в Маноа выявили и исправили небольшую ошибку, которая была допущена при применении уравнений Эйнштейна для моделирования роста Вселенной.

Физики обычно предполагают, что космологически большая система, такая как Вселенная, нечувствительна к деталям малых систем, содержащихся в ней. Кевин Крокер, научный сотрудник факультета физики и астрономии, и Джоэль Вайнер, преподаватель математического факультета, показали, что это предположение может оказаться неверным для компактных объектов, которые остаются после коллапса и взрыва очень крупных звезд.

«В течение 80 лет мы, как правило, работали, предполагая, что Вселенная не была затронута конкретными деталями какого-либо небольшого региона», — сказал Крокер. «Теперь ясно, что общая теория относительности может заметно связать коллапсирующие звезды — регионы размером с маленький остров, с поведением вселенной в целом, системы, большей по размеру в тысячу миллиардов миллиардов раз».

Ученые продемонстрировали, что скорость роста Вселенной может стать чувствительной к усредненному вкладу таких компактных объектов. Аналогично, сами объекты могут стать связанными с ростом Вселенной, получая или теряя энергию в зависимости от состава объектов. Этот результат является значительным, поскольку он обнаруживает неожиданные связи между физикой космологических и компактных объектов, что, в свою очередь, приводит ко многим новым наблюдательным предсказаниям.

Одним из следствий этого исследования является то, что скорость роста Вселенной предоставляет информацию о том, что происходит со звездами в конце их жизни. Астрономы обычно предполагают, что большие звезды образуют черные дыры, когда они умирают, но это не единственный возможный результат.

В 1966 году Эраст Глинер, молодой физик из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе в Ленинграде, предложил альтернативную гипотезу о том, что очень большие звезды должны разрушиться в то, что теперь можно назвать «Общими объектами темной энергии» (GEODE). Они выглядят как черные дыры, если смотреть снаружи, но, в отличие от черных дыр, они содержат Темную Энергию вместо сингулярности.

В 1998 году две независимые группы астрономов обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется, что согласуется с наличием равномерного вклада Темной Энергии. Однако не было признано, что GEODE могли бы внести свой вклад таким образом. С исправленным расчетами ученые показали, что если часть самых старых звезд перейдет в GEODE, а не в черные дыры, их усредненный вклад сегодня, естественно, произведет необходимую однородную Темную энергию.

Результаты этого исследования также применимы к сталкивающимся двойным звездным системам, наблюдаемым через гравитационные волны коллаборацией LIGO-Virgo. В 2016 году LIGO объявила о первом наблюдении того, что казалось системой столкновения двойной черной дыры.

Ожидалось, что такие системы будут существовать, но пара объектов оказалась неожиданно тяжелой — примерно в 5 раз больше, чем массы черной дыры, предсказанные в компьютерном моделировании. Используя исправленные расчеты, ученые рассмотрели, наблюдает ли LIGO-Virgo двойные столкновения GEODE, а не двойные столкновения черных дыр.

Они обнаружили, что GEODE растут вместе со вселенной в течении времени, ведущего к таким столкновениям. Когда происходят столкновения, результирующие массы GEODE увеличиваются в 4-8 раз, что примерно согласуется с наблюдениями LIGO-Virgo.

Исследователи постарались отделить свой теоретический результат от наблюдательной поддержки сценария GEODE. «Мы показали, что если GEODE существуют, то они могут легко привести к наблюдаемым явлениям, которые в настоящее время отсутствуют убедительные объяснения. Мы ожидаем множество других наблюдательных последствий сценария GEODE, включая множество способов его исключения».

K. S. Croker et al. Implications of Symmetry and Pressure in Friedmann Cosmology. I. Formalism, The Astrophysical Journal (2019). DOI: 10.3847/1538-4357/ab32da