NANOGrav: кульминация третьей космологической революции

Каждые полвека в космологии происходит революционная смена космологической парадигмы. Теоретики важны в этой смене, но ключевая роль всегда принадлежит наблюдателям. В первой половине 20 века, благодаря измерениям скоростей галактик и расстояний до них, Вселенной из маленькой (размером с Млечный Путь) и стационарной стала огромной и расширяющейся. В 1965 году было открыто реликтовое электромагнитное излучение - и во второй половине 20 века фригидная и флегматично расширяющаяся Вселенная Хойла уступила место пылкому Большому Взрыву Гамова. Я полагаю, что в космологической революции первой половины 21 века (признаков которой накопилось достаточно) мы приближаемся к аналогичной ключевой точке, которая связана с открытием изотропного фона длинных (около светового года) гравитационных волн консорциумом крупных радиотелескопов NANAGrav. Напомню, что в 2015 году детектор LIGO открыл гравитационные волны от недавних индивидуальных слияний черных дыр звездной массы; наиболее общепринятая (и вполне логичная) интерпретация открытия NANOGrav – что это аналогичные волны от двойных сверхмассивных черных дыр, которые (по одиночке) находят в центрах галактик. Так как эти галактические дыры в миллионы и миллиарды раз массивнее звездных дыр LIGO, то и волны они генерируют гораздо длиннее. Тем более, что в этом случае обычно рассматриваются не краткий (и самый выскочастотный) момент слияния, а продолжительный период более низкочастотного излучения от квазистабильной двойной черной дыры. Но в этих оценках много неопределенности из-за незнания вероятности слияния галактик и трудностей сброса углового момента у двойной дыры такой массы. Хочу отметить, что открытие LIGO гравволн – это событие наиважнейшее и имеющее далеко идущие последствия, но впрямую оно не зачеркивает каких-либо космологических теорий. Если NANOGrav – это LIGO-2, то его роль будет аналогичной. Но, полагаю, открытие NANOGrav может быть гораздо критичнее для космологии, чем результат LIGO.

Я об открытии NANOGrav узнал поздновато (пресса как-то не очень бодро освещала это событие, так что огромное спасибо моему жж-другу за ссылку), и пару дней рассматривал это открытие как интересное, но внешнее - лично для меня. Но быстро понял, что оно имеет самое непосредственное отношение к нашей теории! Мы в статье с Васильковым и Мазером (2018; полный текст здесь: https://pos.sissa.it/335/039) писали: «We consider the bouncing cosmology in the light of the latest discovery of gravitational waves and a large number of massive black holes, which are a probable candidate for the role of dark matter. When the Universe collapses, a significant part of the gravitational mass of the merging black holes turns into gravitational waves». «A cyclic model of the Universe can be developed on the basis of periodic transformation of the mass of merging black holes into gravitational waves and absorption of the background gravitational radiation by the BBH».
«Мы рассматриваем космологию отскока в свете последнего открытия гравитационных волн и большого количества массивных черных дыр, которые являются вероятным кандидатом на роль темной материи. Когда Вселенная коллапсирует, значительная часть гравитационной массы сливающихся черных дыр превращается в гравитационные волны». «Циклическая модель Вселенной может быть построена на основе периодического преобразования массы сливающихся черных дыр в гравитационные волны и поглощения фонового гравитационного излучения Большой Черной Дыры».
Но мы не обсуждали характеристики этих образующихся при коллапсе гравволн и фонового гравизлучения. Настала пора это сделать. За последние 10 дней я прошел интенсивный «курс молодого бойца» в физике гравитационных волн и проделал ряд расчетов, используя классические формулы, только применив их к нашему случаю. Выводы: изотропный фон длинных гравитационных волн (LGW), открытый NANOGrav, является не квазисовременным, а РЕЛИКТОВЫМ излучением, как и излучение, обнаруженное в 1965 году, только не из электромагнитных, а из гравитационных волн. LGW возникли из тех же черных дыр звездных масс, слияние которых зафиксировало LIGO. Вот только NANOGrav поймала гораздо более массовое слияние таких черных дыр, которое произошло при Большом Сжатии Вселенной (до размера порядка светового года), предшествовавшем Большому Взрыву. Из-за расширения Вселенной реликтовое излучение, родившееся 380 тысяч лет после начала Большого Взрыва, остыло в тысячу раз, а гравитационное излучение, гораздо более древнее - растянулось в 10 миллиардов раз. То есть, NANOGrav волны – это реликтовые LIGO волны, длина которых увеличена из-за расширения Вселенной. Волны NANOGrav дают информацию о первых секундах жизни Вселенной!

На основе космологии отскока удалось объяснить не только все наблюдаемые NANOGrav особенности спектра длинных гравитационных волн (амплитуда, частота, зависимость амплитуды от частоты), но и сделаны конкретные предсказания для будущих наблюдений. Насколько мне помнится (не уверен), инфляционная теория предсказывает плавный спектр реликтовых гравитационных волн, причем равновесный (тепловой), потому что инфляционное расширение Вселенной начинается с таких планковских плотностей, что даже гравитационное излучение оказывается там запертым и многократно переизлученным.
Из нашей же модели следует, что спектр РЕЛИКТОВЫХ гравволн будет не тепловым (как у реликтового эм фона), а будет отражать СОВРЕМЕННОЕ распределение черных дыр звездных масс по размерам (а оно задается звездной эволюцией и взрывами Сверхновых). В частности, если в районе наблюдаемых NANOGrav частот 10^-8 герц амплитуда гравволн растет с уменьшением их частоты, то вскоре амплитуда гравитационных волн пройдет через пик (что связано с особенностями распределения черных дыр) и уже в области <6*10^-9 герц начнет уменьшаться. Если наблюдения подтвердят это (и другие) предсказания нашей модели, то это будет означать железное доказательство, что наша Вселенная – периодическая, потому что СОВРЕМЕННОЕ распределение черных дыр в РЕЛИКТОВОЕ время Большого Взрыва означает только одно – это распределение дыр квазистационарно (слабо меняется от цикла к циклу) и пришло из прошлого цикла периодической Вселенной. Заодно, по амплитуде фона длинных гравитационных волн можно оценить общее число черных дыр во Вселенной – и судя по моим оценкам, оно точно соответствует нужному количеству темной материи. Итак, NANOGrav предоставил мощный инструмент для анализа динамики первых секунд жизни Вселенной и для отсева космологических теорий. Вот куда надо вкладывать деньги – в постройку наземных крупных радиотелескопов и в специализированные спутники для наблюдения миллисекундных пульсаров, а не закапывать финансы под землю в поисках ВИМПов.

Первая версия статьи по интерпретации результатов NANOGrav уже написана и находится на рассмотрении соавтора. Отправлена она будет, безусловно, не в российский журнал. Конечно, нельзя исключать, что NANOGrav отзовет свои результаты, и/или, что мои соавторы и консультанты найдут фатальную ошибку в логической цепи моих расчетов. Что ж, право на ошибку никто не отменял, но все мое чутье теоретика с 40-летним стажем склоняется к мнению, что это маловероятно. А это значит, что в ближайшие годы, после уточнения результатов NANOGrav, всем одноразовым (инфляционным и прочим) моделям Вселенной придет конец, как и моделям темной материи из элементарных частиц. Потому что, если небольшая часть квантовых космологий (типа многоразовой модели Стейнхарда-Турока) еще смогут преодолеть фильтр из наблюдательной периодичности Вселенной, то на теме объяснения РЕЛИКТОВОГО фона гравитационных волн, который отражает СОВРЕМЕННОЕ распределение черных дыр, они все сломаются.

Конечно, я был подготовлен к восприятию результата NANOGrav лучше других (а статей с объяснением этого эффекта уже вышло десятка два – тут и первичные коллапсирующие флуктуации плотности, и магнитные монополи, и лопнувшие космические струны, и загадочные космические стены фазовых переходов) – потому что а. являюсь сторонником периодической космологии; б. я давно рассчитал спектр черных дыр в периодической Вселенной, поэтому резкое падение численности черных дыр с массами больше 30-50 масс Солнца для меня совершенно понятно. Но я не виноват в своем «преимуществе». Во времена моей молодости, научные журналы были обычным средством научной коммуникации, и публикация в них имела как общественное значение (сообщала о полученном результате научному сообществу), так личное (закрепляла приоритет автора). Потом теоретическое научное сообщество переориентировалось с познания природы на задачу достижения максимального индекса Хирша по сравнению с конкурентами (спасибо американским университетам и российскому правительству, которые сделали этот индекс главным критерием работы ученых). В результате, журналы стали местом цензурных разборок разных школ, а публикация стала не обязанностью ученого, а некой наградой за его «правильное» поведение. Поэтому моя статья с расчетами спектра черных дыр осциллирующей Вселенной бродит по российским журналам с августа 2019 года. В результате, этот результат не был опубликован до открытия NANOGrav, и я утратил определенный приоритет, зато совершенно охир(ш)евшее научное космологическое сообщество пострадало гораздо больше. Даже жаль этих бедняг. Как я уже не раз говорил, наука в своём прогрессе беспощадна – и, полагаю, что уже через несколько лет всё сообщество квантовых космологов, невзирая на старательно выращенные Хирши и взаимно присужденные награды и премии, окажется за бортом реальной науки, которой наконец-то станет космология – обычной, вовсе не суперквантовой, частью астрономии.

Итак, после третьей космологической революции Вселенная должна превратиться из одноразового квантового объекта в периодическую классическую систему. И судя по всему, мы находимся в финальной стадии этого перелома.