Данная статья про модель гравитации STRUGA (μτ-approach): Scaling–Temporal Relativistic Universal Gravity Architecture, которую мы ранее рассматривали в статье.
Эта теория гравитации на сайтах Preprints.org и на Preprints.ru
Перед чтением этой статьи также желательно ознакомиться с логикой формирования гало Тёмной материи в STRUGA в статье.
Введение
Вы когда-нибудь задумывались, почему в центре нашей Галактики скрывается сравнительно скромная чёрная дыра, которая тем не менее удерживает звёздный хоровод из сотен миллиардов светил? А почему где-то далеко во Вселенной есть чудовище — чёрная дыра по имени TON 618, которая весит как целая галактика, но при этом не окружена массивным ореолом тёмной материи? Может быть, эти две загадки связаны? И да, и нет. Связь есть, но не прямая, а через то, как чёрная дыра крутится.
Давайте представим чёрную дыру не как «чёрную дыру» из фантастики, а как очень плотный сгусток, который к тому же может вращаться — быстрее или медленнее. Это вращение называется спином. И, как выясняется в новой теории под названием STRUGA, спин диктует, сколько у дыры будет невидимого «облака» — тёмной материи, и даже каков будет размер её видимого горизонта (той самой «области невозврата»).
Что такое тёмная материя и при чём тут чёрные дыры?
Тёмная материя — это невидимое вещество, которое проявляет себя только через гравитацию. Именно она и не даёт галактикам разлететься, словно невидимый клей. В стандартной картине мира тёмная материя существует сама по себе, а чёрные дыры — сами по себе. Но теория STRUGA предлагает нечто иное: тёмная материя рождается из… самой чёрной дыры. Точнее, из её способности перекачивать часть своей «сущности» в особое скрытое пространство.
Важнейший момент: полная масса чёрной дыры складывается из двух частей. Первая — масса внутри горизонта событий (то, что мы обычно считаем «чёрной дырой»). Вторая — масса её тёмного гало, которое простирается на десятки и сотни тысяч световых лет. Эти две части могут перетекать друг в друга. Когда чёрная дыра быстро вращается, почти вся масса остаётся внутри горизонта. Когда вращение замедляется, дыра начинает щедро делиться своей массой, создавая вокруг себя огромное облако тёмной материи. Когда черная дыра по какой-либо причине начинает ускоряться (из-за акреции вещества на чёрную дыру или из-за столкновения с более быстро вращающейся черной дырой), то масса из гало возвращается под горизонт событий чёрной дыры.
Две чёрные дыры — два лица, и неожиданный вывод
Посмотрим на два известных объекта.
Sgr A* — наша родная чёрная дыра в центре Млечного Пути. Она весит «всего» 4 миллиона солнц (если смотреть только на её горизонт). Но при этом она управляет галактикой массой более триллиона солнц. Значит, бóльшая часть массы нашей Галактики — это тёмное гало, которое когда-то было частью самой дыры. При этом сама Sgr A* крутится медленно, как волчок, который почти остановился.
TON 618 — гигант, масса которого внутри горизонта составляет около 66 миллиардов солнц. Это в 16 тысяч раз больше, чем у Sgr A*. Но вокруг TON 618 нет заметного тёмного гало. Почему? Потому что TON 618 вращается бешено, почти на пределе возможного.
А теперь самое интересное. Если сложить массу горизонта Sgr A* (4 миллиона) и массу её гало (более триллиона), то полная масса нашей системы окажется больше, чем полная масса TON 618 (у которого гало почти нет). Другими словами, по полной массе — с учётом невидимого ореола — наш скромный Sgr A* может быть тяжелее знаменитого гиганта. А сам TON 618 по сравнению с нашей чёрной дырой… может оказаться карликом. Это звучит парадоксально, но именно так работает логика STRUGA: важна не только «голая» дыра, но и её невидимое наследие.
Как меняется горизонт событий?
Горизонт событий — это граница, за которую даже свет не может вернуться. Чем массивнее чёрная дыра, тем больше её горизонт. Это знают многие. Но в теории STRUGA есть важная деталь: масса чёрной дыры не является постоянной. Часть её может перетекать в тёмное гало, и этот процесс напрямую связан с вращением.
Представьте себе чёрную дыру, которая вращается очень быстро. Вся её масса сосредоточена внутри горизонта, а тёмного гало вокруг почти нет. Горизонт при этом имеет определённый размер — скажем, как большая орбита в Солнечной системе.
Но если дыра со временем начинает вращаться медленнее (например, из-за слияний или столкновений с веществом), запускается перетекание. Часть массы, которая раньше была внутри горизонта, уходит в тёмное гало. Дыра как бы «отдаёт» себя своему невидимому облаку.
Что при этом происходит с горизонтом? Он уменьшается. Ведь масса внутри горизонта падает, а гравитация ослабевает. Горизонт сжимается. Сначала немного, а когда дыра почти останавливается — сильно. В пределе, если вращение падает почти до нуля, внутри горизонта остаются лишь крохи от первоначальной массы (может быть, один процент или меньше). Тогда горизонт становится крошечным — для сверхмассивной дыры он может сжаться до размеров небольшого астероида или даже меньше.
А куда делась остальная масса? Она теперь находится в тёмном гало, которое простирается на сотни тысяч световых лет. Сама чёрная дыра как бы «прячется» внутри собственного невидимого облака. Именно это произошло с нашей Sgr A*: когда-то она была гораздо массивнее, но, потеряв вращение, перекачала почти всю свою массу в гало Млечного Пути. Поэтому сегодня мы видим лишь скромную точку в центре Галактики, а невидимый ореол вокруг неё огромен.
И наоборот, у быстро вращающейся чёрной дыры (как TON 618) перетекание почти не происходит. Почти вся масса остаётся внутри горизонта, гало отсутствует, и горизонт остаётся большим. Таким образом, измерив размер тени чёрной дыры (которую сейчас уже умеют фотографировать), можно понять, сколько массы она уже «отдала» в тёмное гало, и как быстро она вращалась в прошлом.
От галактик без тёмной материи до галактик из чистой тьмы
Одно из самых красивых предсказаний STRUGA — через спин чёрной дыры она объясняет два экстремальных типа галактик, которые ставят в тупик стандартную космологию.
Первый тип — галактики без тёмной материи (например, NGC 1052-DF2). В них звёзды движутся так, словно невидимого клея нет вообще. В STRUGA это естественно: если центральная чёрная дыра когда-то очень быстро вращалась (и продолжает вращаться), она почти не перекачала свою массу в гало. Вокруг такой дыры просто не из чего образоваться массивному ореолу тёмной материи. Галактика остаётся «голой».
Второй тип — галактики, почти полностью состоящие из тёмной материи (например, Dragonfly 44). В них масса невидимого ореола в сотни раз превышает массу звёзд. В STRUGA это означает, что центральная чёрная дыра вращается очень медленно (или почти полностью остановилась). Почти вся её первоначальная масса перетекла в тёмное гало. Сама дыра при этом сжалась до крошечных размеров, а звёзды образовались из остатков газа уже позже. Получается, что галактика — это в основном «призрак» былой чёрной дыры.
Таким образом, спин чёрной дыры становится ключом к пониманию всего спектра галактик — от тех, где тёмной материи почти нет, до тех, где она безраздельно властвует. И всё это без привлечения таинственных новых частиц.
А что насчёт микроскопических чёрных дыр? И почему нам не страшны коллайдеры?
Иногда в новостях мелькают страшилки: а вдруг на Большом адронном коллайдере (БАК) родится микроскопическая чёрная дыра, которая начнёт пожирать Землю? Физики давно успокаивают: если такие дыры и рождаются, то они мгновенно испаряются за счёт излучения Хокинга. Но теория STRUGA даёт ещё более сильную гарантию.
Дело в том, что микроскопическая чёрная дыра имеет крошечную массу (например, как у одного атома). В такой дыре поле масштаба μ становится огромным мгновенно во всём её объёме. Срабатывает тот же механизм, что и у больших дыр при потере вращения: происходит мгновенный сброс массы в мнимый сектор. Вся масса такой дыры перетекает в тёмное гало за планковское время — это невероятно короткий миг.
За это время микроскопическая дыра не успевает поглотить даже один атом, не говоря уже о том, чтобы навредить планете. Она просто исчезает, превращаясь в крошечное облачко частиц, туннелировавших из под своего горизонта событий через мнимый сектор пространства. Таким образом, STRUGA предсказывает, что коллайдеры абсолютно безопасны — даже в самом экстремальном сценарии. И более того, этот механизм объясняет, почему мы не видим первичных микроскопических чёрных дыр, которые могли бы быть кандидатами в тёмную материю: они не могут долго существовать, слишком быстро «растворяются» в своём невидимом ореоле.
Так что следующий раз, когда услышите страшилку про БАК, вспомните: чёрные дыры, если и рождаются, то исчезают быстрее, чем мы успеваем моргнуть, оставляя после себя лишь эхо в невидимом мире.
Что это значит для наблюдателя?
Представьте, что астрономы будущего смогут заглянуть в центр далёкой галактики и измерить сразу три вещи:
- как быстро крутится чёрная дыра,
- насколько велик её горизонт (по тени, которую она отбрасывает на светящийся газ),
- сколько тёмной материи скрывается в её окрестностях.
Если теория STRUGA верна, то эти три числа будут связаны простым правилом: чем медленнее вращение, тем больше гало и тем меньше горизонт событий. И наоборот: самые быстрые чёрные дыры должны быть почти «голыми» — без тёмного ореола, зато с относительно большим горизонтом.
А что насчёт нашей жизни?
Это открытие, если оно подтвердится, изменит не только астрофизику. Оно покажет, что тёмная материя — не призрак, а естественное следствие того, как чёрные дыры «общаются» со скрытыми измерениями пространства. Более того, оно объяснит, почему одни галактики буквально пропитаны тёмной материей, а другие почти не имеют её — всё зависит от того, как вращалась их центральная чёрная дыра в прошлом и как вращается сейчас. И, возможно, окажется, что наш родной Sgr A* — один из самых массивных объектов во Вселенной, если считать вместе с его невидимым облаком тёмной материи.
Так что в следующий раз, когда вы услышите о «невидимой массе», вспомните о танго чёрной дыры. Возможно, её спин — это дирижёрская палочка, которая управляет целыми галактическими симфониями. И теперь у нас есть ключ к пониманию этой музыки.
Продолжение: Скопление Пуля и модель гравитации STRUGA