Новая космологическая гипотеза завоевывает признание

Необычные физические гипотезы, очень непохожие на то, что в настоящий момент считается в физике мейнстримом, всё же иногда подкупают своей новизной и мало-помалу находят приверженцев среди ученых. Про одну такую космологическую гипотезу, с которой время от времени сталкивались читатели «Элементов» в последние годы, есть повод сейчас рассказать.

Аксионное облако высасывает энергию и вращательный момент из черной дыры. Рисунок из статьи A. Arvanitaki, S. Dubovsky, 2011. Exploring the string axiverse with precision black hole physics

Вообразите себе, как сквозь Вселенную летит не звезда, не планета, не пылевое облако, а нечто чужеродное — бесформенная космическая субстанция, неделимая на отдельные частицы. Наделите эту субстанцию сверхспособностью, которой не обладает больше ничто во Вселенной, — умением сопротивляться гравитации черных дыр. 

Когда этот сгусток полевой субстанции натыкается на черную дыру подходящего размера, он не всасывается внутрь нее, а располагается вокруг, наподобие гигантского атома, и сам высасывает из черной дыры энергию и вращательный момент (см. рисунок) и излучает их во все стороны! Расправившись с одной черной дырой, он летит дальше в поисках очередной жертвы.

Представьте теперь, что таких сгустков во Вселенной — великое множество. Более того, их целая популяция самого разного размера — от нескольких метров и до звездных, галактических и даже вселенских масштабов. Для многих из них найдутся жертвы — черные дыры. Облака километрового размера готовы набрасываться на черные дыры звездных масс, облака покрупнее — на сверхмассивные черные дыры. Для самых крупных сгустков этой неделимой субстанции, которые еле помещаются в видимую часть Вселенной, таких жертв уже не найдется. Но, охватив собой всю Вселенную, они способны повлиять на свойства реликтового излучения — остаточного свечения от жара ранней Вселенной.

Думаете, перед вами — гипертрофированная научная фантастика? Ничего подобного! Знакомьтесь: это гипотеза аксивселенной (axiverse) — предположение о том, что на самом деле может происходить в нашей Вселенной в темном секторе, скрытом от наших глаз. Эта радикальная космологическая гипотеза о неделимых облаках — убийцах черных дыр была высказана еще несколько лет назад и на протяжении этого времени мало-помалу завоевывала признание. Сейчас это популярная среди многих космологов гипотеза, которую они прорабатывают с разных сторон: каждый месяц выходит по несколько статей, посвященных этой теме.

Отправной точкой для аксивселенной является — вы не поверите — теория суперструн. В ней могут существовать гипотетические сверхлегкие частицы — аксионы. Вообще, аксионы хорошо известны не только ученым, но и читателям «Элементов»: мы неоднократно писали про поиски сверхлегких частиц темной материи. А после недавнего нашумевшего документального фильма «В ожидании волн и частиц», в котором они играли важную роль, об аксионах знает вся страна. Но только в отличие от обычных, скромных конструкций с аксионами теория суперструн предсказывает не один и не два типа аксионов, а сразу несколько сотен. Да-да, наша Вселенная может быть заполнена аксионами с самыми разными массами, равномерно распределенными во всем интервале от 10−33 эВ до 10−6 эВ. Каждый аксион — это огромная частица, причем чем меньше масса, тем больше ее размер. Неделимое облако, с которого начинался рассказ, — это аксионный бозе-конденсат, квантовый коллектив огромного множества аксионов, которым может обрастать черная дыра сопоставимого размера.

А вырастает он потому, что в черных дырах есть запасенная энергия и вращательный момент, которые оттуда можно извлечь с помощью процесса под названием сверхизлучение Зельдовича. Черная дыра способна на многое, она разрывает на части и атомы, и звезды, и планеты. Но не сможет ничего сделать с этим облаком, потому что оно неделимо. Зато облако может проникнуть во вращающуюся зону черной дыры, отобрать у нее вращение и энергию и от этого окрепнуть, стать более плотным. В конце концов аксионное облако высасывает из черной дыры вращение и энергию и излучает их во все стороны в виде гравитационных волн и отдельных аксионов. И между прочим, эти гравитационные волны в принципе доступны для изучения на современных и будущих детекторах. Так что может оказаться, что когда-нибудь, в очень далеком будущем, наши потомки, поймав и обуздав такое облако, набросят его на пролетающую мимо черную дыру и будут извлекать из нее энергию для очередного рейса межзвездных путешествий, доказывая тем самым, что даже теория суперструн может быть на что-нибудь полезна!

Источник: Asimina Arvanitaki et al. String axiverse // Phys. Rev. D. 81. 123530. Published 28 June 2010. 

link