Мгновение после Большого взрыва скрывает портал в тёмный космос: чёрные дыры, звёзды-каннибалы и другие создания первых секунд

Первая секунда после Большого взрыва остаётся одной из самых загадочных эпох в истории Вселенной. По расчётам физиков, именно в этот миг произошёл каскад явлений, определивших дальнейшее устройство космоса.

Новая теоретическая модель, опубликованная в Physical Review D, объединяет ряд экзотических гипотез — от мгновенного образования чёрных дыр до существования бозонных и аннигиляционных звёзд.

Авторы исследования — Пранджал Ралеганкар, Даниэле Перри и Такеши Кобаяши из Международной школы передовых исследований (SISSA, Италия) — анализируют малоизученный период между инфляцией и нуклеосинтезом, когда, по их мнению, Вселенная могла на короткое время перейти в состояние раннего доминирования материи (EMDE).

Эпоха раннего доминирования материи

В классической космологии после инфляции Вселенная была заполнена излучением, и плотность энергии определялась фотонами и нейтрино. Однако модель EMDE предполагает, что в определённый момент плотность материи превысила плотность излучения. Это состояние длилось доли секунды, но оказало долговременное влияние на формирование космических структур.

Почему это важно? В этот период могли образоваться первые гравитационно связанные объекты — миниатюрные гало материи, масса которых, по расчётам авторов, была чуть больше массы Земли. Несмотря на скромные масштабы, их плотность была колоссальной, что создавало идеальные условия для последующего коллапса вещества.

Исследователи отмечают, что взаимодействие частиц в таких гало могло быть разнообразным: от простого гравитационного притяжения до сильных взаимодействий между гипотетическими частицами тёмной материи. Это делало раннюю Вселенную гораздо более динамичной и сложной, чем предполагалось ранее.

Первичные чёрные дыры и их судьба

Если внутри гало происходило уплотнение вещества, то, согласно уравнениям Эйнштейна, оно должно было коллапсировать в первичные чёрные дыры (ПЧД). Их массы, по оценкам авторов, могли варьироваться от астероидных до планетарных.

А что если таких чёрных дыр образовалось миллионы? Тогда они могли стать естественным объяснением тёмной материи — загадочной субстанции, которая определяет динамику галактик, но остаётся невидимой для телескопов.

"Если бы эти чёрные дыры возникли в достаточном количестве, они могли бы составлять значительную часть или всю тёмную материю", — пишут авторы в Physical Review D.

Однако не все объекты выжили. Менее массивные чёрные дыры испарились через излучение Хокинга — квантовый эффект, приводящий к постепенной потере массы. По расчётам, они исчезли в первые минуты после EMDE, задолго до образования водорода и гелия.

Бозонные звёзды: кратковременные светила раннего космоса

Помимо чёрных дыр, в модели Ралеганкара, Перри и Кобаяши фигурируют бозонные звёзды — объекты, состоящие из частиц с целым спином, таких как гипотетические скалярные или векторные бозоны. Эти образования, в отличие от обычных звёзд, не имели ядерных реакций и удерживались квантовыми эффектами.

По расчётам, они могли светиться недолго, испуская энергию за счёт осцилляций бозонных полей, прежде чем коллапсировать в чёрные дыры. Хотя такие звёзды теоретически стабильны при определённых массах, в экстремальных условиях ранней Вселенной они не могли существовать долго.

Почему бозонные звёзды интересны физикам? Они дают возможность объяснить феномены, не требующие введения новых фундаментальных частиц. Их поведение описывается уравнениями общей теории относительности и квантовой механики без нарушения известных принципов.

Звёзды-каннибалы: энергия из аннигиляции

Ещё один тип экзотических объектов, описанный в работе, — звёзды-каннибалы. Название не связано с поеданием других звёзд, как может показаться, а отражает их механизм питания: они вырабатывали энергию через аннигиляцию материи и антиматерии.

Такой процесс намного эффективнее термоядерного синтеза, происходящего в обычных звёздах. Если термоядерные реакции превращают около 0,7% массы в энергию, то аннигиляция может достигать 100%. Поэтому звёзды-каннибалы были бы ярче и горячее любых известных светил.

Что стало с ними? Согласно расчётам, при аккреции материи их масса быстро росла, что приводило к коллапсу и образованию очередных чёрных дыр. Авторы допускают, что часть звёзд-каннибалов могла избежать этой судьбы, если выделяемое тепло предотвращало дальнейшее падение вещества. Однако таких исключений должно было быть крайне мало.

Сравнение с другими космологическими моделями

Традиционные модели ранней Вселенной описывают только инфляцию и последующий нуклеосинтез, игнорируя промежуточные состояния. Сценарий EMDE заполняет этот пробел, объясняя, как могли появиться первичные чёрные дыры, тёмная материя и аномальные энергетические объекты.

В отличие от гипотез с участием экзотических частиц (аксионов или WIMP), модель EMDE не требует новой физики за пределами известных принципов. Она использует уже существующие уравнения и лишь уточняет временную динамику процессов.

Ошибки восприятия и значение модели

Одно из распространённых заблуждений — считать, что ранняя Вселенная была однородной. Модель EMDE демонстрирует обратное: уже через доли секунд после Большого взрыва могли существовать плотные кластеры, в которых шли процессы, сравнимые по энергии с современными сверхновыми.

Другой миф связан с понятием "звёзд-каннибалов". В действительности они не пожирали соседние объекты, а превращали аннигиляцию частиц в источник света. Исследователи подчёркивают, что большинство таких структур исчезло, оставив следы только в виде реликтового излучения и распределения массы.

Работа Ралеганкара, Перри и Кобаяши стала одной из немногих, пытающихся математически описать "тёмный промежуток" между инфляцией и нуклеосинтезом. Она показывает, что даже если эти события длились доли секунды, именно они могли определить состав и структуру современного космоса.