Что, если темная материя — это просто информация? Как отпечатки прошлой Вселенной стали черными дырами и темной материей
В космологии есть два два не отвеченных фундаментальных вопроса. Первый — что представляет собой темная материя, невидимая субстанция, составляющая около 85% всей массы во Вселенной? Второй — что было до Большого взрыва, и могло ли быть вообще? Новое исследование предлагает идею, пытающуюся связать оба вопроса. Что, если темная материя состоит из первичных черных дыр, а сами эти дыры — не что иное, как отпечатки информации, унаследованной от предыдущего цикла существования Вселенной?
Ученые попытались построить гипотезу основываясь на строгой физике, предлагая взглянуть на ткань реальности совершенно иначе: пространство-время — это своего рода носитель информации. И эта информация обладает гравитацией. Давайте разбираться, как из их концепции рождаются черные дыры.
Почему так сложно создать черную дыру в младенческой Вселенной?
Идея о первичных черных дырах (ПЧД) озвучена очень давно. В отличие от своих собратьев звездной массы, которые рождаются из коллапса массивных звезд, ПЧД должны были сформироваться в первые мгновения после Большого взрыва, когда Вселенная была невероятно плотной и горячей плазмой. Любой регион, оказавшийся случайно значительно плотнее своих соседей, мог сколлапсировать под собственной тяжестью и стать черной дырой.
Логика присутствует, но есть проблема. Наблюдения реликтового излучения — эха Большого взрыва — показывают, что ранняя Вселенная была однородной, а флуктуации плотности были крошечными, порядка одной стотысячной. Чтобы из такой почти идеальной гладкости спонтанно возникла сверхплотная область, способная к коллапсу, требуется очень специфический и маловероятный механизм, а большинство моделей, которые генерируют такие флуктуации, заодно предсказывают и другие эффекты, которые мы не наблюдаем. Вот и тупик.
Здесь авторы исследования предлагают новую версию. А что, если зачатки черных дыр были не флуктуациями материи, а чем-то совершенно иным?
Память Вселенной
В основе новой теории лежат две концепции. Первая — циклическая космология. Эта модель предполагает, что у нашей Вселенной не было абсолютного начала в виде сингулярности. Вместо этого она родилась в результате «Большого отскока» — перехода от предыдущей, сжимающейся фазы. Цикл сжатия и расширения может повторяться, и вопрос о том, что было до Большого Взрыва отпадает.
Вторая, и ключевая, концепция — Квантовая Матрица Памяти (QMM). Согласно QMM, на самом фундаментальном, планковском уровне пространство состоит из дискретных ячеек. Каждая такая ячейка — это крошечная квантовая система, способная записывать и хранить информацию о частицах и полях, которые с ней взаимодействуют.
Когда материя падает в черную дыру или Вселенная сжимается, информация не исчезает. Она остается в этих ячейках. Такая записанная информация называется энтропией отпечатка.
Важное следствие теории: энтропия отпечатка имеет физическое проявление. Градиенты этого поля энтропии — то есть места, где ее плотность резко меняется, — создают гравитацию. Грубо говоря, сама информация способна искривлять пространство-время.
Как из энтропии вырастает черная дыра?
Попытаемся соединить эти части воедино. Вот как, согласно модели, разворачивается процесс:
- В предыдущем космическом цикле существовала материя. Когда та Вселенная начала сжиматься, информация о ней была записана в Квантовую Матрицу Памяти.
- Вселенная проходит через фазу максимального сжатия и начинает расширяться заново — происходит Большой отскок. Материя и излучение рождаются заново, но поле энтропии отпечатка, унаследованное из прошлого, сохраняется.
- Это унаследованное поле энтропии неоднородно. В нем есть области с высокой концентрацией записанной информации. Авторы назвали их «информационными колодцами».
- Физический анализ показывает, что эти сгустки энтропии ведут себя гравитационно как пыль — материя без давления. И это критически важно. В ранней Вселенной, где доминировало излучение (фотоны и нейтрино), любые неоднородности быстро рассеивались давлением. Но пылевые сгустки давлению не подвержены.
- В результате информационные колодцы растут гораздо эффективнее, чем любые флуктуации обычной материи. Пока Вселенная расширяется, они спокойно накапливают гравитационный потенциал.
- Когда плотность энергии в таком информационном колодце достигает определенного критического порога, он коллапсирует. Рождается первичная черная дыра.
Получается, ПЧД формируются не из случайных сгустков горячей плазмы, а из структурированных ячеек памяти в самой ткани пространства-времени, оставленных предыдущей эпохой.
Как это проверить?
Любая научная теория сильна своими предсказаниями. Модель информационных колодцев делает конкретные, проверяемые прогнозы.
- Правильный спектр масс. Регулируя всего несколько параметров модели, можно получить ПЧД с очень разной массой. Теория способна объяснить как популяцию очень легких ПЧД, которые могли бы быть темной материей, так и более тяжелые черные дыры, которые регистрирует гравитационно-волновая обсерватория LIGO.
- Искажения в реликтовом излучении. Процесс коллапса информационных колодцев и их гравитационное влияние должны были оставить очень специфический отпечаток в спектре реликтового излучения, так называемые µ-искажения. Существующие телескопы их пока не фиксировали, но будущие миссии, такие как PIXIE, будут обладать достаточной чувствительностью для их обнаружения.
- Гравитационно-волновой фон. Формирование и слияние этих ПЧД в ранней Вселенной должны были создать фоновый гул гравитационных волн на очень низких частотах. Именно такой фон, возможно, уже начали обнаруживать с помощью наблюдений за пульсарами (Pulsar Timing Arrays). Предсказания модели совпадают с этими первыми данными.
Эта теория дает механизм образования первичных черных дыр, который пока не противоречит наблюдениям. Она связывает существование темной материи с фундаментальной природой информации и гравитации. И она открывает окно в космологию «до Большого взрыва».
Что может пойти не так?
Тут важно сохранять долю научного скепсиса. Фундамент гипотезы построен на нескольких смелых, но пока не доказанных допущениях. Идея циклической Вселенной — это лишь одна из альтернатив стандартной инфляционной модели, а Квантовая Матрица Памяти — это совершенно новый теоретический конструкт. По сути, это целая цепочка гипотез: нужно принять идею «отскока», затем — существование матрицы памяти, а после — что оставленная ею энтропия имеет нужные свойства для запуска коллапса. Модель обменивает проблему тонкой настройки в стандартной космологии на необходимость введения совершенно новой физики.
Так что, пока это всего-лишь гипотеза, но она, как минимум, проверяема. Ближайшие годы и новые данные с гравитационно-волновых детекторов и телескопов следующего поколения покажут, действительно ли мы живем во Вселенной, которая помнит свое прошлое.
