Физик предложил, что тёмная материя — это чёрные дыры из Вселенной до Большого взрыва

Физик‑теоретик Энрике Гастаньяга выдвинул новую спорную гипотезу: тёмная материя во Вселенной может состоять из реликтовых чёрных дыр, которые появились ещё до Большого взрыва и пережили рождение нашего космоса. Такая идея одновременно бросает вызов стандартной космологической модели и пытается объяснить странные объекты, обнаруженные телескопом «Джеймс Уэбб» в самой ранней Вселенной, пишет Nature.

Гастаньяга, профессор Института космологии и гравитации Портсмутского университета, работает в рамках так называемой модели «космического отскока». В этих сценариях наш мир не начинается с единственного взрыва‑сингулярности: сначала Вселенная медленно сжимается, затем достигает предельной плотности и переходит в фазу расширения — что мы и воспринимаем как Большой взрыв.

Расчёты учёного показывают, что самые компактные объекты определённого минимального размера могли пережить этот катастрофический переход от сжатия к расширению. В частности, чёрные дыры с размером горизонта событий более примерно 90 метров (то есть значительно больше типичных астероидов) способны «пережить» фазу отскока и дожить до нашего времени. Если такие реликтовые чёрные дыры достаточно многочисленны, они могут играть роль тёмной материи — невидимой «массы», гравитация которой удерживает галактики и влияет на крупномасштабную структуру Вселенной.

Отдельный акцент в работе Гастаньяги — попытка объяснить природу загадочных «маленьких красных точек» на ранних снимках «Джеймса Уэбба». Эти компактные, очень яркие и, судя по наблюдениям, массивные объекты были обнаружены на больших красных смещениях, то есть в эпоху, когда Вселенная была совсем молодой, и по стандартным моделям у неё просто не было времени «вырастить» такие структуры.

По словам исследователей, «маленькие красные точки» могут быть либо крайне плотными ранними галактиками, либо экзотическими объектами вокруг сверхмассивных чёрных дыр, вроде так называемых «чёрнодырных звёзд». Гастаньяга предлагает альтернативу: если в момент рождения нашего космоса уже существовали чёрные дыры из предыдущей фазы Вселенной, они могли стать «зародышами», на которых очень быстро нарастали первые массивные структуры — тогда стремительное появление ярких компактных объектов перестаёт выглядеть аномалией.

Учёный давно критикует классическую картину Большого взрыва за то, что она упирается в проблему сингулярности — математической точки с бесконечной плотностью и температурой, где уравнения общей теории относительности перестают работать. В моделях отскока, к которым относится и работа Гастаньяги, переход от сжатия к расширению происходит без истинной сингулярности: при сверхвысоких плотностях вступают в игру квантовые эффекты, создающие отталкивающее давление и предотвращающие коллапс в «бесконечность».

Ранее Гастаньяга и его коллеги уже предлагали так называемую «вселенную‑чёрную дыру». В этой картине наш космос рождается внутри гигантской чёрной дыры, сформировавшейся в некоем «родительском» мире, а сами чёрные дыры в нашем пространстве‑времени могут содержать свои вселенные внутри — подобно тому, как матрёшки вложены одна в другую. Недавние работы группы из Портсмута показывают, что такой гравитационный «отскок» можно описать в рамках общей теории относительности с учётом квантовых поправок, без введения экзотической новой физики.

Если гипотеза о «космических окаменелостях» — древних чёрных дырах из доколлапсной Вселенной — верна, она может радикально изменить поиски природы тёмной материи. Вместо гипотетических частиц, вроде WIMP или аксионов, тёмная компонента космоса окажется связана с компактными объектами, которые, теоретически, можно искать по их гравитационным эффектам или по следам реликтовых гравитационных волн из предшествующей эры.

При этом сам Гастаньяга подчёркивает, что его сценарий остаётся гипотезой и должен пройти серьёзную проверку наблюдательными данными. Для её подтверждения астрономам предстоит искать специфические сигнатуры «древних» чёрных дыр, а также тонкие отпечатки возможного предшествующего цикла Вселенной в космическом микроволновом фоне и распределении галактик.

Кто такой Энрике Гастаньяга

• Испанский физик‑теоретик, работающий в Институте космологии и гравитации Университета Портсмута (Великобритания).
• Специализируется на космологии, крупномасштабной структуре Вселенной и гравитации, в последние годы активно продвигает модель «вселенной‑чёрной дыры» и сценарии космического отскока.

Что такое тёмная материя и почему это проблема

• По современным оценкам, около 85% всей материи во Вселенной приходится на невидимую тёмную компоненту, которая не светится и почти не взаимодействует с обычным веществом, но ощутимо влияет гравитацией.
• Её наличие выдают скорости вращения галактик, гравитационное линзирование и крупномасштабное распределение скоплений, однако природа этой компоненты по‑прежнему неизвестна.
• Классический подход — искать новые фундаментальные частицы, однако многочисленные эксперименты пока не нашли убедительных сигналов.

Имиджевый блок: «космические окаменелости» и доколлапсная Вселенная

• Идея «реликтовых» или «космических окаменелостей» — чёрных дыр, сформировавшихся до Большого взрыва, обсуждается в рамках разных версий сценариев отскока и циклических моделей Вселенной.
• В таких моделях предшествующий этап эволюции космоса оставляет наследие в виде компактных объектов и гравитационных волн, которые могут сохраниться и в новой фазе расширения.

«Маленькие красные точки» телескопа «Джеймс Уэбб»

• После запуска «Джеймса Уэбба» астрономы обнаружили категорию компактных объектов на больших красных смещениях, которые получили условное название «small red dots» — «маленькие красные точки».
• Они очень компактны, красные и при этом выглядят неожиданно массивными и яркими для столь молодой Вселенной, что создаёт напряжение со стандартными моделями формирования галактик и чёрных дыр.
• Среди обсуждаемых объяснений — сверхкомпактные ранние галактики, «чёрнодырные звёзды» (объекты с чёрной дырой в центре и плотной газовой оболочкой) и альтернативные сценарии роста массы через нестандартную космологию, вроде идей Гастаньяги.

Вселенная внутри чёрной дыры: матрёшка миров

• Работы группы из Портсмута предлагают сценарий, в котором наш космос мог родиться внутри чёрной дыры, образовавшейся в более крупной «родительской» вселенной.
• При таком подходе гравитационный коллапс не заканчивается сингулярностью, а приводит к отскоку и рождению нового расширяющегося мира — по сути, каждый коллапс может порождать «дочернюю» вселенную.
• Это делает чёрные дыры чем‑то вроде «космических семян» новых миров и естественно приводит к картине иерархии вселенных, напоминающей матрёшку.

До этого мы писали, что вселенная может быть семимерной: новая теория объяснила загадку чёрных дыр.