Первая секунда Вселенной была фабрикой «звезд-каннибалов» и черных дыр: новая модель объясняет рождение экзотических объектов

Между событием Большого взрыва и эпохой, когда сформировались первые атомы, лежит огромный, практически неизученный промежуток времени. Космологи называют его темными веками, но новое исследование предполагает, что он мог быть совсем не темным. Возможно, в эту эпоху рождались экзотические объекты, которые мы пока можем предсказать только теоретически.

Речь идет о гипотезе, которая предлагает новый механизм формирования первичных черных дыр. Но самое интересное в ней даже не это. Модель показывает, как из простых частиц в ранней Вселенной могли рождаться стабильные объекты, которые мы назовем «звездами-каннибалами» и «бозонными звездами».

Но давайте по порядку.

Забытая эра Вселенной

Современная космологическая модель отлично описывает историю Вселенной, начиная с первых нескольких минут ее жизни. Но что было до этого, сразу после инфляционного расширения? Одна из теорий гласит, что Вселенная могла пережить раннюю эру доминирования материи (EMDE).

Воображается период, когда космос был заполнен не излучением, а гипотетическими частицами, которые уже успели остыть и вели себя как обычная материя. Они не являются известной нам темной материей; их век был недолог, и они должны были распасться еще до начала синтеза первых элементов. Ключевая деталь этого сценария — эти частицы могли взаимодействовать друг с другом. Проще говоря, сталкиваться. Именно это свойство запускает всю цепь событий.

Что такое гравотермический коллапс?

В любой среде, заполненной материей, существуют крошечные флуктуации плотности. Гравитация усиливает их: области с чуть большей плотностью притягивают к себе все больше вещества. В условиях EMDE из таких флуктуаций формировались массивные облака, или гало, из тех самых гипотетических частиц.

Дальше интересней. Внутри этих плотных гало частицы начинают активно сталкиваться. Эти столкновения приводят к перераспределению энергии. Некоторые частицы получают мощный импульс и вылетают из центральной части гало. Унося с собой энергию, они оставляют ядро гало в странном состоянии.

Система с отрицательной теплоемкостью — это система, которая при потере энергии становится горячее. Частицы в гравитационном поле ведут себя именно так. Потеря энергии ядром гало заставляет его сжиматься. Оставшиеся частицы начинают двигаться быстрее, то есть их температура растет. Этот процесс приводит к тому, что ядро гало становится все плотнее и горячее, запуская самоусиливающуюся реакцию. Это и есть гравотермический коллапс.

Космический зоопарк вместо пустоты

Гравотермический коллапс — это неумолимый процесс сжатия. Но чем он заканчивается? Исследование показывает, что финал может быть разным, и это порождает целый зоопарк экзотических объектов.

1. Первичные черные дыры

Если ничто не мешает коллапсу, ядро гало сожмется до такой плотности, что превратится в черную дыру. Это подходящее решение для создания так называемых первичных черных дыр. Важное отличие этого механизма в том, что он не требует невероятно больших и точно настроенных изначальных флуктуаций плотности, которые являются проблемой для других моделей. Этот процесс мог естественным образом создавать черные дыры массой с астероид — идеальные кандидаты на роль темной материи.

2. Звезды-каннибалы

Что же останавливает этот процесс? Ответ может скрываться в самих свойствах частиц. Если их взаимодействия допускают аннигиляцию (например, четыре частицы сталкиваются и превращаются в две с большей энергией), то в ядре гало появляется новый источник энергии.

Этот процесс превращает массу покоя частиц в кинетическую энергию — по сути, в тепло. Возникает огромное внутреннее давление, которое начинает противостоять гравитационному сжатию. В определенный момент силы уравновешиваются, и коллапс останавливается. В результате образуется стабильный, сверхплотный объект, который горит за счет поедания собственной материи. Авторы исследования называют его «звездой-каннибалом».

3. Бозонные звезды

Существует и третья возможность. Если гипотетические частицы являются бозонами (частицами, которые могут занимать одно и то же квантовое состояние), то при экстремальном сжатии в дело вступают квантовые эффекты.

Во-первых, может возникнуть так называемое квантовое давление, которое не дает частицам сблизиться еще сильнее. Во-вторых, если само взаимодействие частиц имеет отталкивающий характер на малых расстояниях, это тоже создаст противодавление. Любой из этих факторов способен остановить коллапс и породить еще один тип экзотической звезды — бозонную звезду.

Важность работы

Эта работа показывает, как из простых предположений о свойствах частиц в ранней Вселенной может вырасти целая плеяда сложных астрофизических объектов.

Во-первых, она предлагает физически обоснованный и менее натянутый механизм образования первичных черных дыр, которые сейчас активно ищут астрономы.

Во-вторых, она заполняет пробел в наших знаниях о темных веках космоса, предполагая, что это была эпоха активного структурообразования, а не просто пассивного остывания.

Источник: arXiv