Какво би било, ако тъмната материя е просто информация? Как отпечатъците от миналата Вселена се превръщат в черни дупки и тъмна материя

В космологията има два фундаментални въпроса, които нямат отговор. Първият е какво представлява тъмната материя – невидима субстанция, която съставлява около 85% от масата във Вселената? Вторият е какво е имало преди Големия взрив и дали изобщо е могло да има нещо? Ново изследване предлага идея, която се опитва да свърже двата въпроса. Какво би било, ако тъмната материя е съставена от първични черни дупки, а самите дупки не са нищо повече от отпечатъци на информацията, наследена от предишен цикъл на Вселената?

Учените се опитват да изградят хипотеза, основана на строгата физика, която предлага да се погледне на тъканта на реалността по съвсем различен начин: пространство-времето е своеобразен носител на информация. И тази информация има гравитация. Нека видим как се раждат черните дупки от тази тяхна концепция.

Защо е толкова трудно да се създаде черна дупка в младата Вселена?

Идеята за първични черни дупки (ПЧД) се изказва от много отдавна. За разлика от своите аналози със звездна маса, които се раждат от колапса на масивни звезди, ПЧД трябва да са се образували в първите мигове след Големия взрив, когато Вселената е била невероятно плътна и гореща плазма. Всяка област, която се е оказала значително по-плътна от съседните, е могла да се срине под собствената си гравитация и да се превърне в черна дупка.

Логиката е налице, но има проблем. Наблюденията на реликтовото лъчение – ехо от Големия взрив – показват, че ранната Вселена е била хомогенна, а колебанията в плътността са били миниатюрни, от порядъка на една стохилядна част. За да се появи спонтанно от такава почти съвършена гладкост свръхплътна област, склонна към колапс, е необходим много специфичен и малко вероятен механизъм, а повечето модели, които генерират такива флуктуации, предвиждат и други ефекти, които ние не наблюдаваме. Това е причината за безизходицата.

Именно тук авторите на изследването предлагат нова теория. Какво би станало, ако зачатъците на черните дупки не са флуктуации на материята, а нещо съвсем друго?

Паметта на Вселената

Новата теория се основава на две концепции. Първата е цикличната космология. Този модел предполага, че нашата Вселена не е имала абсолютно начало под формата на сингулярност. Вместо това тя се е родила в резултат на „Голям отскок“ – преход от предишна, свиваща се фаза. Цикълът на свиване и разширяване може да се повтори и въпросът какво е имало преди Големия взрив отпада.

Втората и ключова концепция е квантовата Матрица на Паметта (QMM). Според QMM на най-фундаментално, Планково ниво, пространството се състои от дискретни клетки. Всяка такава клетка е миниатюрна квантова система, способна да записва и съхранява информация за частиците и полетата, които взаимодействат с нея.

Когато материята падне в черна дупка или Вселената се свие, информацията не изчезва. Тя остава в тези клетки. Тази записана информация се нарича ентропия на отпечатъка.

Важно следствие от теорията: ентропията на отпечатъка има физическо проявление. Градиентите на това поле на ентропия – т.е. местата, където плътността му се променя драстично – създават гравитация. Грубо казано, самата информация е способна да изкривява пространство-времето.

Как от ентропията израства черна дупка?

Нека се опитаме да съберем тези части. Ето как според новия научен модел протича процесът:

• В предишния космически цикъл е имало материя. Когато тази Вселена е започнала да се свива, информацията за нея е била записана в квантовата матрица на паметта.
• Вселената преминава през фазата на максимално свиване и започва отново да се разширява – настъпва Големият отскок. Материята и излъчването се раждат наново, но полето на ентропийния отпечатък, наследено от миналото, се запазва.
• Това унаследено поле на ентропията е нехомогенно. То съдържа области с висока концентрация на записана информация. Авторите ги наричат „информационни кладенци“.
• Физическият анализ показва, че тези струпвания на ентропия се държат гравитационно като прах – материя без налягане. А това е от решаващо значение. В ранната Вселена, където преобладава излъчването (фотони и неутрино), всяка нехомогенност бързо се разсейва под въздействието на налягането. Но струпванията на прах не са подложени на натиск.
• В резултат на това информационните кладенци се разрастват много по-ефективно, отколкото каквито и да било флуктуации в обикновената материя. Докато Вселената се разширява, те тихо натрупват гравитационен потенциал.
• Когато плътността на енергията в такъв информационен кладенец достигне определен критичен праг, той се срутва. Ражда се първична черна дупка.

Оказва се, че ПЧД (първична черна дупка) се образуват не от случайни струпвания на гореща плазма, а от структурирани клетки памет в самата тъкан на пространство-времето, останали от предишната епоха.

Как може да се провери това?

Всяка научна теория е силна в своите прогнози. Моделът на информационните кладенци прави конкретни, проверими предсказания.

• Правилният спектър на масите. Чрез регулиране само на няколко параметъра на модела е възможно да се получат ПДЧ с много различни маси. Теорията е в състояние да обясни както популацията от много леки ПДЧ, които биха могли да бъдат тъмна материя, така и по-тежките черни дупки, които открива гравитационно-вълновата обсерватория LIGO.
• Изкривявания в реликтовото излъчване. Процесът на колапс на информационните кладенци и тяхното гравитационно влияние би трябвало да са оставили много специфичен отпечатък в спектъра на реликтовото лъчение, т.нар. µ-изкривявания. Съществуващите телескопи все още не са ги открили, но бъдещи мисии като PIXIE ще имат достатъчна чувствителност, за да ги открият.
• Гравитационно-вълновият фон. Формирането и сливането на тези ПДЧ в ранната Вселена би трябвало да е създало фоново жужене на гравитационните вълни с много ниски честоти. Точно такъв фон може би вече е започнал да се открива при наблюденията на пулсарите (Pulsar Timing Arrays). Прогнозите на модела са в съответствие с тези първи данни.

Тази теория предоставя механизъм за образуване на първичните черни дупки, който все още не е опроверган от наблюденията. Тя свързва съществуването на тъмната материя с фундаменталната природа на информацията и гравитацията. И отваря прозорец към космологията преди Големия взрив.

Какво може да се обърка?

Важно е да се запази известна доза научен скептицизъм. Основата на хипотезата е изградена върху няколко смели, но все още недоказани предположения. Идеята за циклична вселена е само една от алтернативите на стандартния инфлационен модел, а квантовата матрица на паметта е изцяло нова теоретична конструкция. По същество това е цяла верига от хипотези: трябва да приемете идеята за „отскок“, след това съществуването на матрицата на паметта, а след това, че ентропията, която тя оставя след себе си, има подходящите свойства, за да предизвика колапс. Моделът заменя проблема с тънката настройка в стандартната космология с необходимостта да се въведе изцяло нова физика.

Така че засега това е само хипотеза, но поне може да бъде проверена. Следващите години и новите данни от детекторите на гравитационни вълни и телескопите от ново поколение ще покажат дали наистина живеем във Вселена, която помни миналото си.