Реликтовое гравитационное излучение — ключ к тайнам Вселенной
Участники хабра проявляли большой интерес к космологии пульсирующей Вселенной (https://habr.com/ru/articles/396601/; https://habr.com/ru/articles/371363/; https://habr.com/ru/articles/777028/), поэтому всех заинтересованных хочу обрадовать новостью, что издательство «Питер» в июне этого года выпускает массовым тиражом второе издание книги «Пульсирующая Вселенная» с дополнениями и улучшениями. Получасовую презентацию книги (и космологической теории, которая в ней излагается) от редактора «Питера» и от меня можно посмотреть на ю-тубе: https://www.youtube.com/watch? v=QyVAPTdPC4Y
На одном космологическом моменте хочется остановиться детальнее — на реликтовых гравитационных волнах. В начале 60-х годов разразилась большая битва между тремя космологическими теориями: теорией постоянного роста Вселенной Бонди-Голда-Хойла (без Большого Взрыва, а Вселенная просто пухнет по непонятным причинам); теорией изначально холодной Вселенной Зельдовича, и теорией горячей ранней Вселенной Гамова, в рамках которой были предсказаны Большой Взрыв, химсостав ранней Вселенной и наличие вокруг реликтового излучения с температурой в несколько кельвинов (излучение очень горячей ранней Вселенной растянулось к нашему времени так, что остыло до температуры жидкого гелия).
В эстонском городе Тарту, 7–13 июля 1962 года проходил семинар, материалы которого были опубликованы в сборнике «Вопросы космогонии» (1963). В статье «Дозвездная эволюция вещества» Я.Б. Зельдович разбирает теорию горячей Вселенной Гамова-Альфера-Хермана, попытки которых получить наблюдаемый химический состав космической среды, он считает «наивными». Зельдович пишет, что в этой модели «эффективная температура электромагнитного излучения (света) равна 23К» (откуда ЯБ взял это значение вместо нескольких градусов — неясно, возможно из какой-то самой неточной работе группы Гамова).
Зельдович делает заключение: «Следует признать, что эти значения лежат за гранью разумного и не согласуются с современными представлениями о материальном и энергетическом балансе Вселенной». Далее ЯБ утверждает: «Возвращаясь к вопросу о начальной стадии мира, необходимо признать, что представления Гамова, Альфера и Хермана о высокой температуре в этой стадии противоречат современным сведениям». Сам Зельдович предпочитает другой сценарий. «Мы приходим к единственно возможному, единственно правильному варианту», а именно: «Гипотеза, согласно которой в качестве исходного вещества для звездной стадии эволюции берется холодный чистый водород, вполне согласуется с современными астрофизическими представлениями».
Академик А.Д. Сахаров писал про свои работы 60-х годов: «Я исходил тогда, вслед за Зельдовичем и многими другими авторами того времени, из так называемой «Холодной модели Вселенной», согласно которой начальная температура сверхплотного вещества предполагалась равной нулю (предполагалось, что вещество нагревается потом за счет тех или иных процессов, включая ядерные реакции)». («Научные труды», 1995)
Нетрудно заметить, что холодная модель Вселенной является аналогом термоядерной бомбы, которая при взрыве переходит из плотного холодного состояния в разреженное и горячее. Фактически, это было развитие модели «протоатома» Леметра, только, в духе тогдашнего военного прогресса, со сменой вселенской «боеголовки» с атомной бомбы на более мощный термоядерный заряд, с которыми Зельдович был хорошо знаком.
Споры космологов закончились в 1965 году, с нобелевским открытием реликтового излучения (в 3.5 кельвина) Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном, полностью подтвердившим модель горячей Вселенной и «наивную» теорию Гамова-Альфера-Хермана.
Но реликтовыми (родившимися где-то возле Большого Взрыва, а то и раньше) могут быть не только электромагнитные, но и гравитационные волны. Обсерватория ЛИГО с 2015 года открывает гравитационные волны с частотой в сотню герц, возникших при слиянии пары черных дыр, которые расположены сравнительно недалеко от нас. Частота этих волн определяется максимальной частотой вращения дыр друг вокруг друга. Чем меньше (и легче) дыры, тем ближе друг к другу они могут подойти и тем быстрее они вращаются друг вокруг друга, генерируя более высокочастотные волны.
В статье Горькавого и Тюльбашева (2021) в «Астрофизическом бюллетене» было показано, что в момент максимального сжатия Вселенной (до размера в десяток световых лет) происходит массовое слияние черных дыр звездных масс, которое порождает мощную вспышку гравитационного излучения с частотой в сотню герц (в момент вспышки). Так как после этого Вселенная расширилась в 10 миллиардов раз, то и частоты этих волн упала до 10^-8 герц, то есть до наногерцового диапазона. В состоянии максимального сжатия Вселенной температура реликтового эм излучения была 30 миллиардов градусов (именно при такой температуре все тяжелые ядра химических элементов распадаются на барионы). Соответственно, увеличение размера вселенной в 10^10 раз привело к охлаждению реликтового эм излучения до 3 кельвинов. Схема эволюции электромагнитного и гравитационного реликтовых излучений приведена на этом рисунке:
Команда NANOGrav (североамериканский консорциум из пяти крупных радиотелескопов) копит и исследует многолетний массив данных по миллисекундным пульсаром. Недавно они нашли фоновые наногерцовые гравитационных волн с периодом колебаний от 2 до 10 лет. Открытие подтверждено по независимым данным австралийского радиотелескопа (PPTA) в обсерватории Паркса, а летом 2023 года была доказана квадрупольность найденных волн — то есть они являются именно гравитационными.
Таким образом, открытое реликтовое гравитационное излучение наногерцового диапазона является прямым подтверждением циклической модели Вселенной, потому что его предсказание неизбежно вытекает из самого (буквально!) центра нашей модели. Но можно пойти и дальше и сделать дополнительные предсказания, которые могут быть проверены группами ЛИГО и НАНОГрав уже в ближайшие годы.
Предсказание 1: Так как ЧД меньше 3–4 масс Солнца практически нет по астрофизическим причинам, то и частота их взаимного обращения (и генерируемых гравволн) вырасти больше сотни герц не может (нейтронные звезды легче, но крупнее, поэтому частота их взаимного вращения падает). То есть, в спектре гравизлучения (который безусловно не тепловой, в отличие от реликтового спектра эм излучения) будет сильный провал в частотах менее года. Никакая из других альтернативных теорий такого провала не ожидает.
Предсказание 2: 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. 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 в несколько раз частотой, потому что наблюдаемая часть Вселенной нашего цикла еще не достигла максимального размера, когда эти волны образовались.
Следовательно, хотя энергия фоновых гравитационных волн имеет заметный пик на наногерцовой частоте, основная энергия таких волн (по оценкам — в миллионы раз большая!) будет содержаться в главном пике килогерцовых гравитационных волн, образованных при слиянии черных дыр звездных масс в момент максимального расширения Вселенной.
В заключение — небольшая реплика. Недавняя хабр-статья про космологию и физику элементарных частиц https://habr.com/ru/articles/812639/ гласит: «Обилие новых свидетельств говорит о том, что физика, возможно, стоит на пороге чего-то грандиозного».
Пардон, но физика стоит на этом пороге уже пятый десяток лет, так что она уже там вросла корнями и обросла пенсионерами. Тезис квантовых космологов: «Наблюдение за движением звёзд и галактик может выявить влияние ещё не открытых частиц, а изучение фундаментальных частиц в лаборатории может рассказать нам о рождении и эволюции космоса», который де-факто продвигается Аланом Гусом с 1981 года (43 года назад!), до сих пор не получил ни одного экспериментального или убедительного теоретического подтверждения. Идея о том, что Вселенная подчиняется квантовым законам — от момента рождения до настоящего времени — она впечатляет, вдохновляет и хорошо продается. Но сколько можно плавать в сухом бассейне? Астрономы НЕ используют никаких квантовых законов для того, чтобы вычислять движения астероидов, планет и звезд, и нет никаких убедительных причин, чтобы вводить квантовые гипотезы в описание динамики галактик, их скоплений и всей Вселенной, где работает ОТО. Да, там есть проблемы и нестыковки, как и во всех науках –, но откуда следует, что они имеют хоть в какой-то степени квантовый характер? (Мы не трогаем спектры эм излучения и космические лучи, которые при всей их важности, на динамику галактик и Вселенной практически не влияют). Нужно смотреть трезво — есть проблемы (и свои революции) в элементарных частицах и квантовых полях, а есть отдельно лежащие астрономия и космология со своими проблемами. И какая-либо доказанная и убедительная связь (такого уровня, который провозглашают в квантовой космологии) между микро- и макро- мирами отсутствует, как бы часто и убежденно многочисленные пророки не провозглашали обратное.
