Фон гравитационных волн, обнаруженный NANOGrav, как свидетельство циклической Вселенной
В журнале New astronomy (не топовый журнал, но рецензируемый, Elsevier'овский и основанный 25 лет назад) опубликована моя финальная космологическая статья, посвященная реликтовым гравитационным волнам:
в ближайшие 50 дней статья может быть бесплатно скачена вот здесь: https://authors.elsevier.com/a/1dmPw4wjQh5AV%7E
Русский перевод (мой) - под катом ниже.
Приятный момент - выпускающим редактором статьи был знаменитый космолог Silk, пара книг которого есть у меня в личной библиотеке. Почему финальная? - потому что на данный момент у меня нет планов писать новые статьи по космологии (только популярную книгу, над которой уже работаю). Кроме этого, эта статья, фактически, не о развитии модели циклической Вселенной с переменной массой (она уже развита достаточно, с моей точки зрения), а об её прямом подтверждении, что для меня является признаком завершения темы. Приведу аналогию. В середине 60-х годов в космологии боролись три модели - одна «горячая» модель Канта, Гамова и соавторов, Дикке и др. (Вселенная расширилась из очень горячего сжатого состояния), и две «холодных модели» - Зельдовича с соавторами и Сахарова (сверхплотная Вселенная с нулевой температурой взорвалась и разогрелась - ну явный парафраз термоядерной бомбы), и Бонди-Голда-Хойла (Вселенная без Большого Взрыва вечно расширяется из-за таинственного постоянного рождения вещества в вакууме). При этом Гамов с соавторами предсказал температуру в несколько кельвинов у реликтового излучения, оставшегося от горячего облака плазмы размером в 380 тыс. световых лет. И вот Пензиас и Вильсон случайно открыли в 1965 году изотропное микроволновое излучение около 3 кельвинов. И горячая модель немедленно победила. Её правоту признали даже Зельдович с Сахаровым.
Совершенно аналогичная ситуация наблюдается сейчас. В конце 2020 и в середине 2021 два консорциума радиотелескопов NANOGrav и PPTA на почти независимых базах данных по пульсарам пришли к одинаковому выводу: во Вселенной существует сильный изотропный фон гравитационных волн с наногерцовыми частотами (периодом колебаний в несколько лет). Каково происхождение этих волн? Тут мне и думать нечего, потому что из статьи, отправленной в Астрофизический бюллетень в мае 2020 года и вышедшей в августе 2021 года, следует, что в момент сжатия Вселенной до нескольких световых лет, в ней происходят массовые слияния черных дыр звездной массы, которые порождают мощнейшее гравитационное излучение с частотой порядка сотни герц. Именно такое излучение от (почти) современных слияний таких дыр поймал LIGO в 2015 году. Но при Большом Сжатии, частота слияния дыр несоизмеримо выше; при этом образовавшееся облако гравитационных волн, распространяется во все стороны, и волны уменьшаются в частоте в 10^10 раз к настоящему времени, отчего и получаются наногерцовые волны. То есть, наблюдатели поймали реликтовое гравитационное излучения от хорошо понятного и уже изученного процесса слияния черных дыр звездной массы. При этом никаких подгонок параметров или предположений мы не делаем - наблюдаемая частота реликтовых грав.волн прямо получается из параметров, определенных из других соображений еще до открытия NANOGrav и PPTA. Амплитуда определяется сложнее, но тоже хорошо совпадает с данными NANOGrav и PPTA, если использовать параметры модели, независимо полученной в статье в Астрофизическом бюллетене.
Таким образом, открытие реликтовых гравитационных волн является для меня доказательством правильности циклической модели Вселенной с темной материей в виде черных дыр. Но для всего сообщества это не так. Дело в том, что между космологами 1965 года и космологами 2020 года лежит пропасть. Первые были простые ребята, которые верили в законы физики, в бритву Оккама и здравый смысл. Вторые - перешли уже на новый уровень реальности (или нереальности). К настоящему времени известно около десятка разных теорий происхождения реликтовых наногерцовых гравволн. Конечно, они все исходят из предположений, принятых постфактум, и содержащих подгоночные параметры. Так что пройдет немало лет, пока наблюдатели не соберут достаточно информации о спектре этих волн и т.д. и сумеют отсортировать лишние модели. Я прямо представляю, как в 1965 году высаживается десант космологов из 2020 года - и в ответ на статью Пензиаса и Вильсона пишется не одна интерпретационная статья Дикке и др. о победе модели горячей Вселенной, а десяток статей, из которых следует, что реликтовое излучение в 3 кельвина: а. это излучение, которое производят частицы темной материи, стукаясь об антенну Пензиаса-Вильсона; б. это излучение аксионных звезд; в. это излучение обычных звезд, которое, ослабев, просачивается из параллельной Вселенной; г. это излучение космических струн; д. это фоновые кванты из компактифицированных 11 измерений; е. это излучение белых дыр; ж. это излучение склярного поля с потенциалом косеканс Х в степени арктангенс Y … э-э… извините, я все еще недостаточно раскован, чтобы представить весь список идей квантовых ребят. Именно поэтому - мне достаточно. А сейчас русский перевод статьи:
Фон гравитационных волн, обнаруженный NANOGrav, как свидетельство циклической Вселенной
Н. Горькавый
(New Astronomy, 2022, V. 91, 101698, https://doi.org/10.1016/j.newast.2021.101698)
Краткое содержание:
- Фон гравитационных волн (GWB) - это реликтовое излучение, оставшееся после Большого Сжатия z~10^10.
- Реликтовые гравитационные волны аналогичны гравитационным волнам, открытым LIGO.
- Уменьшение в 10^10 раз частоты GWB связано с расширением Вселенной.
- Модель предсказывает резкое уменьшение амплитуды GWB на частотах f>3.5*10^-8 Гц
Абстракт
Консорциум NANOGrav обнаружил изотропный фон гравитационных волн (GWB) с амплитудой h~10^-15 и частотой f~10^-8 Гц с помощью наблюдений миллисекундных пульсаров. Мы предполагаем, что GWB - это реликтовое излучение, оставшееся от сливающихся черных дыр звездной массы (SBH) во время Большого Сжатия на z~10^10. Реликтовые гравитационные волны аналогичны гравитационным волнам с f~10^2 Гц, обнаруженным LIGO в 2015 году, с учетом уменьшения частоты в 10^10 раз из-за расширения Вселенной. Мы берем за основу наблюдаемый спектр 139 SBH, обнаруженных обсерваторией LIGO. Наша модель хорошо объясняет все наблюдаемые особенности GWB. В отличие от всех других моделей GWB, наша модель предсказывает резкое уменьшение амплитуды GWB на частотах f>3.5*10^-8 Гц, отражая дефицит SBH с массами <4 M_solar. Слияния SBMH при Большом Сжатии должны привести к еще не обнаруженному GWB с частотой f~10^-(14-17) Гц.
Ключевые слова: гравитационные волны, NANOGrav, черные дыры, осциллирующая Вселенная
1. Введение
Изотропное реликтовое излучение, открытое Пензиасом и Уилсоном (1965), представляет собой реликтовое излучение сжатой горячей Вселенной, которое понизило свою температуру во время расширения (Гамов, 1953; Дикке и др., 1965; Мазер и Бослоу, 2008). Реликтовые гравитационные волны (ГВ) обсуждались во многих работах (см., например, Зельдович, Новиков, 1983; Грищук, 2005). Самыми мощными известными источниками гравитационного излучения являются сливающиеся черные дыры (ЧД). В 2015 году группа LIGO обнаружила гравитационные волны с f~10^2 Гц, вызванных слиянием черных дыр со звездными массами (SBH до 100 солнечных масс) (Abbot et al., 2016). Гравитационное излучение современной двойной сверхмассивной чёрной дыры может генерировать гравитационные волны длиной около светового года, которые можно обнаружить по вариациям радиоимпульсов миллисекундных пульсаров (Сажин, 1978, Detweiler, 1979, Jaffe and Baker, 2003). Недавно консорциум NANOGrav объявил о возможном открытии изотропного стохастического фона гравитационных волн с частотой f~2.5*10^-9 - 1.2*10^-8 Гц (или 2.5-12 наногерц) и амплитудой h~10^-15 (Арзуманян и др., 2020). Предполагается, что эти волны генерируются современными двойными сверхмассивными чёрными дырами (Jaffe and Baker, 2003), хотя были выдвинуты многие другие гипотезы происхождения GWB: от коллапсирующих флуктуаций на ранних стадиях Большого взрыва (Nguyen et al. , 2020, Luca et al., 2021) до разрыва космической струны (Buchmuller et al., 2021).
В нашей работе анализируется формирование GWB в циклической Вселенной. Модель осциллирующей Вселенной была популярна до 1980-х годов (Гамов, 1953; Дикке и др., 1965; Зельдович, Новиков, 1983; Пиблз, 1993), а сейчас интерес к этой модели нарастает (Гурзадян, Пенроуз, 2013; Поплавский, 2021; Валентино и др., 2019; Горькавый, Тюльбашев, 2021). Классическая циклическая космология включала механизм периодической трансформации химических элементов: эффективная фотодиссоциация тяжелых атомных ядер на отдельные барионы начиналась, когда температура электромагнитного реликтового излучения в сжатой Вселенной достигала ~3*10^10 K. Так был создан водород для образования звезд в новом цикле. Температура ~3*10^10 K достигается при z~1.6*10^10., что соответствует радиусу Вселенной примерно в 3 световых года (Вайнберг, 1972).
В статьях Горькавый и Тюльбашев, 2021; Горькавый, Васильков, 2018; Горькавый и др., 2018 анализировалась циклическая модель Вселенной с большим количеством черных дыр (см. Рис.1). Очевидно, что при коллапсе Вселенной значительная часть гравитационной массы сливающихся черных дыр превращается в гравитационные волны. Механизм Большого Взрыва в такой модели основан на метрике Шварцшильда с переменной массой (Кучера, 2003; Горькавый, Васильков, 2016). Эпоха множественного слияния черных дыр начинается, когда Вселенная сжимается до объема, сопоставимого с общим объемом существующих ЧД. Этот процесс должен быть естественным для многих циклических моделей Вселенной (Гурзадян, Пенроуз, 2013; Поплавский, 2021; Горькавый и Тюльбашев, 2021; Горькавый, Васильков, 2018; Горькавый и др., 2018; Пенроуз, 2011). Нетрудно оценить, что общий объем ЧД во Вселенной определяется наиболее массивными СМЧД: если взять среднюю массу СМЧД в 10^8 M_solar (Nguyen et al., 2020), то тогда10^11 таких дыр можно упаковать в коробку размером 0.3 световых года. Если масса сверхмассивной чёрной дыры равна 10^9 M_solar (Nguyen et al., 2020), то даже для тогда10^9 таких дыр потребуется коробка размером 0.7 световых года. Таким образом, когда размер сжимающейся Вселенной уменьшится в ~10^10 раз - до нескольких световых лет, черные дыры начнут массово сливаться из-за нехватки места. Существует равновесное значение z_0, которое допускает колебания Вселенной, которая не накапливает тяжелые элементы и согласуется с наблюдаемой популяцией черных дыр. Если z меньше z_0, тогда температура Вселенной будет недостаточна для фотодиссоциации ядер железа. Если z больше z_0, тогда общий объем наблюдаемых черных дыр будет слишком большим для такого маленького объема Вселенной. Горькавым и др. (2018) была получена оценка z_0~10^10 независимо от данных NANOGrav.
Мы предполагаем, что длинноволновое гравитационное излучение, зарегистрированное NANOGrav (Arzoumanian et al., 2020), является реликтовым гравитационным излучением от множественного слияния черных дыр во время Большого Сжатия: f_GWB~f_LIGO/z_0. Следовательно, GWB является реликтовой версией GW, обнаруженных LIGO и растянутых из-за расширения Вселенной. Покажем, что данные NANOGrav можно объяснить в рамках циклической модели Вселенной с темной материей из черных дыр без выдвижения новых гипотез и подгонки свободных параметров. Кохри и Терада, 2021; Васконен и Вирмае, 2021 также предполагают, что GWB, обнаруженные NANOGrav, генерируются при слиянии первичных SBH, которые сформировались на ранних стадиях этого цикла Вселенной. В нашей модели эти SBH приходят из прошлых циклов Вселенной. Как будет показано ниже, наша модель и гипотеза, опубликованная Kohri and Terada, 2021; Vaskonen и Veermae, 2021, имеют важные различия в наблюдательных предсказаниях.
Рис. 1. Эволюция реликтовых электромагнитных волн (CMB) (a) и гравитационного излучения (GWB) (b) во Вселенной во время Большого Сжатия и Большого Взрыва. Из Горькавого и др. (2018), с доработками.
2. GWB в однокомпонентной модели.
Оценим современные частоты и амплитуды гравитационных волн, образовавшихся во время Большого Сжатия. Уравнение для амплитуды гравитационного излучения двойной системы черных дыр одинаковой массы M, расположенной на расстоянии D от наблюдателя, можно записать как (Jaffe and Baker, 2003):
где T - период собственного вращения двойной системы. Формула (1) и последующие формулы получены в случае асимптотически плоского пространства-времени. В случае замкнутой Вселенной формулы для длины и массы включают множитель [1-(D/Ru)^2]^-1/2, где Ru- радиус кривизны Вселенной (см., например, Peebles, 1993). Мы будем использовать формулу (1) и последующие формулы, предполагая, что обсуждаемые расстояния меньше радиуса кривизны Вселенной (D/Ru)^2<<1. Характерное время гравитационного излучения такой системы можно получить из уравнения (Jaffe, Baker, 2003):
Амплитуда и частота гравитационной волны достигают своего максимального значения, а период - минимального значения непосредственно перед слиянием черных дыр. В этом случае уравнения (1), (2) упрощаются. Максимальная частота гравитационного излучения при слиянии двух одинаковых черных дыр записывается в виде (см., например, Wen et al., 2009):
где Ms - масса черной дыры в массах Солнца, f измеряется в герцах. Выражение (1+z) в знаменателе описывает уменьшение частоты из-за космологического красного смещения, а коэффициент 2 в числителе появляется из-за квадрупольной природы гравитационного излучения (Arzoumanian et al., 2020). Из (3) получаем, что слияние черных дыр с массой ~10M_solar (именно такие события были зарегистрированы LIGO Abbot et al., 2016) дает собственную частоту генерируемых гравитационных волн f_0=2/T~ 2.2*10^2 Гц. Учитывая (3) и z~1.6*10^10, получаем наблюдаемую частоту гравитационного стохастического излучения f~1.4*10^-8 Гц,, которая совпадает с частотой волн, обнаруженных NANOGrav. Из (3) получаем минимальное значение:
и подставим (4) в (1), учитывая уравнение для радиуса черной дыры R=2GM/c^2. Мы получаем:
Для объединения двух ЧД с R=10^7 см на расстоянии D~10^9 световых лет, мы получаем типичную амплитуду GW, зарегистрированную LIGO: h~10^-21 (Abbot et al., 2016). Уравнение (2) также упрощается для случая максимальной частоты (3):
Чтобы оценить полную энергию гравитационного излучения сливающихся черных дыр, возведем в квадрат амплитуду (5) и запишем:
где t0- время свободного пробега ЧД, движущейся со скоростью V, до столкновения и слияния с другой ЧД (Фролов, Новиков, 1998):
где n=3N/(4Pi*a^2)- концентрация черных дыр, расположенных в сфере радиуса a. Отношение tau/t0 характеризует долю времени, в течение которой дыра излучает, сливаясь с другой дырой. Из уравнения (7), с учетом (6), (8), получаем для средней амплитуды фоновых гравитационных волн, генерируемых SBH во время Большого Сжатия:
где для оценки было взято N=10^22: (Горькавый, Тюльбашев, 2021); R=10^7 см; D~10^10 световых лет; a= 3 световых года; V~c . Мы предположили, что относительные скорости черных дыр в максимально сжатой Вселенной сравнимы со скоростью света. Гипотеза о накоплении черных дыр и GWB от цикла к циклу Вселенной (Горькавый, Тюльбашев, 2021) изменит смысл параметров в уравнении (9), например, N будет означать сумму источников GWB за определенное количество циклов. Сравним амплитуды фоновых гравитационных волн от слияния SBH при Большом Сжатии z~10^10 и от слияния SMBH в более позднее время (z порядка единицы):
Здесь приняты следующие оценки:
Последний множитель в (10) несущественен, потому что он достаточно близок к 1:
Мы можем получить оценки фоновых волн, генерируемых черными дырами на разных этапах эволюции Вселенной (см. Таблицу 1, где масса SMBH в 10^6 раз больше SBH).
Из (10) и таблицы 1 следует, что амплитуда стохастических гравитационных волн, вызванных слиянием SBH на стадии Big Crunch, значительно превышает амплитуду волн, генерируемых современными слияниями SMBH в центрах галактик. Обратите внимание, что при оценке излучения современных сверхмассивных черных дыр обычно учитывается не момент слияния, а скорее стабильное вращение черных дыр вокруг центра масс (Jaffe and Baker, 2003). В этом случае амплитуды излучения отдельной системы меньше, но время излучения tau в (7) больше. К сожалению, в таких расчетах есть большая неопределенность, связанная с вероятностью слияния галактик и проблемой сближения центральных сверхмассивных ЧД на последних парсеках (Jaffe, Baker, 2003; Wen et al., 2009; Goulding et al., 2019). Слияние во время Big Crunch SMBH с массой 10^7-10^10 M_solar будет генерировать излучение с частотой f_0~10^-(4-7). Принимая во внимание z~10^10, получаем, что в современную эпоху должны быть очень длинные гравитационные волны с частотой f_0~10^-(14-17) Гц. Такие волны имеют длину, равную ~10^-(1-4) размерам Вселенной. Из (9) следует, что слияние сверхмассивных чёрных дыр будет генерировать GWB со значительной амплитудой. Например, для частоты f~10^-14 Гц амплитуда GW будет в ~ 10^4 раз больше, чем амплитуда GW, обнаруженная NANOGrav (Arzoumanian et al., 2020) (см. Таблицу 1). Обнаружение таких длин волн возможно с использованием данных астрометрического спутника Gaia (Gwinn et al., 2019; Book, Flanagan, 2011; Moore et al., 2017).
Таблица 1. Оценки амплитуды и частоты GWB от разных источников.
3. GWB в многокомпонентной модели.
В наших оценках мы предположили, что все ЧД имеют одинаковую массу. Предположим, что массовое распределение SBH, участвующих в слияниях во время Большого Сжатия, близко к современному распределению черных дыр, поскольку популяция реликтовых черных дыр может образовываться из астрофизических черных дыр, которые накапливаются в повторяющихся циклах Вселенной (Горькавый и Тюльбашев, 2021). Наблюдаемая популяция черных дыр состоит в основном из SBH от 4 до 100 M_solar (Горькавый, Тюльбашев, 2021; Аббот и др., 2020) и сверхмассивных ЧД ~10^5-10^10 M_solar, расположенных в центрах галактик (Черепащук, 2014).
Следует учитывать, что в формулу (9) входит массовое распределение черных дыр N(m). На рис. 2 показан спектр массы ЧД как функция частоты h(f) в предположении, что сливающиеся черные дыры генерируют гравитационное излучение одной длины волны (с максимальной частотой и амплитудой). Рис. 2 показывает, что зарегистрированные гравитационные волны расположены вблизи максимальной амплитуды гравитационных волн, которые следуют из нашей модели.
Также рис. 2 показывает, что из-за влияния спектра масс черных дыр частотная зависимость амплитуды может значительно меняться. Для f~(2.5-6.3)*10^-9 Гц (или 2.5-6.3 нГц) наша модель дает h~f^-(0.5-0.6), что близко к наблюдению NANOGrav (см. Рис. 2). Спектр гравитационного излучения малых (4-20 M_solar) SBH зависит от наблюдательной селекции, поэтому трудно сделать какие-либо надежные выводы для f>6.3*10^-9 Гц (или f>6.3 нГц). Самым надежным наблюдательным фактом является отсутствие черных дыр массой менее 4 солнечных масс с f>3.2*10^-8 Гц (или f>32 нГц), которые должны отражаться в спектре гравитационных волн. Барьер f=lg(3.2*10^-8)=-7.5 (отмечен вертикальной линией) соответствует периоду гравитационных волн в один год.
Согласно наблюдениям, нет никаких астрофизических черных дыр, масса которых меньше чем в 4 раза превышает массу Солнца, или их очень мало. Это должно вызвать сильный дефицит GWB с частотами f>3.2*10^-8 Гц (см. Рис. 2). Действительно, нет «каких-либо обнаруживаемых вкладов от GWB» на частотах f>1.2*10^-8 Гц (или 12 нГц) (Arzoumanian et al., 2020). Мы считаем этот факт очень важным. Дефицит (за пределами ожидаемых степенных зависимостей) GWB на частотах f>3.2*10^-8 Гц (или f>32 нГц) подтвердит нашу модель.
Рис. 2. Сплошная кривая BH: спектр масс SBH по данным LIGO с добавлением черных дыр в двойных звездных системах (Abbot et al., 2020, Cherepashchuk, 2014) в зависимости от частоты GW (стрелками обозначена величина масса ЧД, соответствующая конкретной частоте GWB). Сплошной линией GWB показана теоретически рассчитанная амплитуда гравитационного излучения при слиянии SBH. Пунктирными частями кривых BH и GWB показаны зоны с низкой статистикой. Пунктирным прямоугольником показана граница, соответствующая частоте гравитационных волн, обнаруженных NANOGrav (жирная прямая линия, максимум которой совпадает с максимумом модельной кривой). Штрихпунктирной вертикальной линией показана граница, соответствующая частоте гравитационных волн 3.2*10^-8 Гц (или 1/год) от слияния черных дыр при ~4M_solar, поэтому справа от этой линии будет сильный дефицит GWB по сравнению с экстраполированными данными NANOGrav (пунктирное продолжение толстой прямой линии) и теоретическими моделями, основанными на гравитационных волнах от сверхмассивных чёрных дыр (Jaffe, Baker, 2003).
4. Обсуждение
Стохастические гравитационные волны должны сопровождаться квадрупольной пространственной корреляцией согласно кривой Хеллингса - Даунса (Hellings and Downs, 1983). Как показывают результаты НАНОГрав, фон стохастических гравитационных волн не имеет признаков монопольных и дипольных волн. В то же время GWB имеет некоторые признаки квадрупольной пространственной корреляции, но с низким уровнем статистической достоверности (Arzoumanian et al., 2020). После отправки этой статьи в журнал была опубликована статья (Гончаров и др., 2021) с результатами анализа Parkes Pulsar Timing Array (PPTA). Исходя из предположений анализа NANOGrav, команда PPTA с высокой степенью достоверности обнаружила по 26-ти миллисекундным пульсарам PPTA-DR2 коррелированный по времени сигнал с общим спектром во времени: h~2.2*10^-15 на частоте 1 год^-1 (Гончаров и др., 2021). Данные PPTA также показали статистически слабые признаки квадрупольной пространственной корреляции. Romano et al. (2021) показывают, что текущее отсутствие доказательств квадрупольной пространственной корреляции согласуется с величиной коэффициентов корреляции для пар базовых линий Земля-пульсар в массиве, а также с тем фактом, что массивы синхронизации пульсаров, скорее всего, работают в промежуточном сигнальном режиме. Мы полагаем, что слабая квадрупольная корреляция, обнаруженная в обеих работах (рис. 7 Arzoumanian et al., 2020 и рис. 3 Goncharov et al., 2021), будет расти с увеличением количества используемых данных. Обсуждения вокруг GWB (Arzoumanian et al., 2020; Goncharov et al., 2021; Romano et al., 2021) показывают, что статистические методы, используемые при анализе сигналов пульсаров, содержат важные допущения, которые необходимо изучить, чтобы окончательно доказать обоснованность открытия. С нашей точки зрения, достоверность открытия стохастического фона гравитационных волн подтверждается тем, что существование мощного фона реликтовых наногерцовых волн было предсказано в статье Горькавый, Тюльбашев (2021), представленной в журнал в мае 2020 года.
5. Выводы
Детекторы LIGO наблюдают гравитационные волны от редких современных слияний SBH - самых многочисленных черных дыр во Вселенной. Мы полагаем, что телескопы NANOGrav и PPTA зарегистрировали всплеск аналогичного гравитационного излучения от многочисленных слияний SBH во время Большого Сжатия. Уменьшение в 10^10 раз частоты этих реликтовых гравитационных волн связано с расширением Вселенной. Мы считаем, что данные NANOGrav и PPTA подтверждают гипотезу о том, что черные дыры могут составлять основную часть темной материи (Bird et al., 2016; Kashlinsky, 2016; Clesse and Garcia-Bellido, 2017) и что значительная часть наблюдаемых черных дыр пришли из прошлого цикла пульсирующей Вселенной (Гурзадян и Пенроуз, 2013; Клифтон и др., 2017). Примечательно, что параметр, удовлетворяющий модели циклической Вселенной, оказывается как раз таким, что частота реликтовых гравитационных волн совпадает с частотой гравитационных волн, наблюдаемых NANOGrav и PPTA.
Из нашей модели можно сделать конкретные выводы, которые можно проверить наблюдениями:
1. Спектр GWB, обнаруженный NANOGrav и PPTA, не будет описываться законом Планка или каким-либо другим законом, связанным с тепловым равновесием. GWB должен отражать наблюдаемое распределение черных дыр (SBHs и SMBHs).
2. Амплитуда GWB, обнаруженная NANOGrav и PPTA, уменьшается с увеличением частоты, но скорость этого уменьшения станет особенно заметной на частоте f>3.2*10^-8 Гц (или f>32 нГц) (период колебаний меньше года) из-за отсутствия астрофизических черных дыр с массами <4M_solar. Эта особенность спектра не может быть предсказана ни одной моделью, основанной на гипотезе о первичных черных дырах, рожденных в результате Большого Взрыва (см., Например, Kohri and Terada, 2021).
3. Многочисленные сверхмассивные чёрные дыры, которые в настоящее время наблюдаются в центрах галактик, должны генерировать низкочастотные GWB f~10^-(14-17) во время Большого Сжатия.
Автор благодарит Джона Мазера, Александра Василькова, Сергея Копейкина и Джорджа Хоббса за полезные обсуждения и комментарии.
(Список литературы - см. английский вариант статьи)
в ближайшие 50 дней статья может быть бесплатно скачена вот здесь: https://authors.elsevier.com/a/1dmPw4wjQh5AV%7E
Русский перевод (мой) - под катом ниже.
Приятный момент - выпускающим редактором статьи был знаменитый космолог Silk, пара книг которого есть у меня в личной библиотеке. Почему финальная? - потому что на данный момент у меня нет планов писать новые статьи по космологии (только популярную книгу, над которой уже работаю). Кроме этого, эта статья, фактически, не о развитии модели циклической Вселенной с переменной массой (она уже развита достаточно, с моей точки зрения), а об её прямом подтверждении, что для меня является признаком завершения темы. Приведу аналогию. В середине 60-х годов в космологии боролись три модели - одна «горячая» модель Канта, Гамова и соавторов, Дикке и др. (Вселенная расширилась из очень горячего сжатого состояния), и две «холодных модели» - Зельдовича с соавторами и Сахарова (сверхплотная Вселенная с нулевой температурой взорвалась и разогрелась - ну явный парафраз термоядерной бомбы), и Бонди-Голда-Хойла (Вселенная без Большого Взрыва вечно расширяется из-за таинственного постоянного рождения вещества в вакууме). При этом Гамов с соавторами предсказал температуру в несколько кельвинов у реликтового излучения, оставшегося от горячего облака плазмы размером в 380 тыс. световых лет. И вот Пензиас и Вильсон случайно открыли в 1965 году изотропное микроволновое излучение около 3 кельвинов. И горячая модель немедленно победила. Её правоту признали даже Зельдович с Сахаровым.
Совершенно аналогичная ситуация наблюдается сейчас. В конце 2020 и в середине 2021 два консорциума радиотелескопов NANOGrav и PPTA на почти независимых базах данных по пульсарам пришли к одинаковому выводу: во Вселенной существует сильный изотропный фон гравитационных волн с наногерцовыми частотами (периодом колебаний в несколько лет). Каково происхождение этих волн? Тут мне и думать нечего, потому что из статьи, отправленной в Астрофизический бюллетень в мае 2020 года и вышедшей в августе 2021 года, следует, что в момент сжатия Вселенной до нескольких световых лет, в ней происходят массовые слияния черных дыр звездной массы, которые порождают мощнейшее гравитационное излучение с частотой порядка сотни герц. Именно такое излучение от (почти) современных слияний таких дыр поймал LIGO в 2015 году. Но при Большом Сжатии, частота слияния дыр несоизмеримо выше; при этом образовавшееся облако гравитационных волн, распространяется во все стороны, и волны уменьшаются в частоте в 10^10 раз к настоящему времени, отчего и получаются наногерцовые волны. То есть, наблюдатели поймали реликтовое гравитационное излучения от хорошо понятного и уже изученного процесса слияния черных дыр звездной массы. При этом никаких подгонок параметров или предположений мы не делаем - наблюдаемая частота реликтовых грав.волн прямо получается из параметров, определенных из других соображений еще до открытия NANOGrav и PPTA. Амплитуда определяется сложнее, но тоже хорошо совпадает с данными NANOGrav и PPTA, если использовать параметры модели, независимо полученной в статье в Астрофизическом бюллетене.
Таким образом, открытие реликтовых гравитационных волн является для меня доказательством правильности циклической модели Вселенной с темной материей в виде черных дыр. Но для всего сообщества это не так. Дело в том, что между космологами 1965 года и космологами 2020 года лежит пропасть. Первые были простые ребята, которые верили в законы физики, в бритву Оккама и здравый смысл. Вторые - перешли уже на новый уровень реальности (или нереальности). К настоящему времени известно около десятка разных теорий происхождения реликтовых наногерцовых гравволн. Конечно, они все исходят из предположений, принятых постфактум, и содержащих подгоночные параметры. Так что пройдет немало лет, пока наблюдатели не соберут достаточно информации о спектре этих волн и т.д. и сумеют отсортировать лишние модели. Я прямо представляю, как в 1965 году высаживается десант космологов из 2020 года - и в ответ на статью Пензиаса и Вильсона пишется не одна интерпретационная статья Дикке и др. о победе модели горячей Вселенной, а десяток статей, из которых следует, что реликтовое излучение в 3 кельвина: а. это излучение, которое производят частицы темной материи, стукаясь об антенну Пензиаса-Вильсона; б. это излучение аксионных звезд; в. это излучение обычных звезд, которое, ослабев, просачивается из параллельной Вселенной; г. это излучение космических струн; д. это фоновые кванты из компактифицированных 11 измерений; е. это излучение белых дыр; ж. это излучение склярного поля с потенциалом косеканс Х в степени арктангенс Y … э-э… извините, я все еще недостаточно раскован, чтобы представить весь список идей квантовых ребят. Именно поэтому - мне достаточно. А сейчас русский перевод статьи:
Фон гравитационных волн, обнаруженный NANOGrav, как свидетельство циклической Вселенной
Н. Горькавый
(New Astronomy, 2022, V. 91, 101698, https://doi.org/10.1016/j.newast.2021.101698)
Краткое содержание:
- Фон гравитационных волн (GWB) - это реликтовое излучение, оставшееся после Большого Сжатия z~10^10.
- Реликтовые гравитационные волны аналогичны гравитационным волнам, открытым LIGO.
- Уменьшение в 10^10 раз частоты GWB связано с расширением Вселенной.
- Модель предсказывает резкое уменьшение амплитуды GWB на частотах f>3.5*10^-8 Гц
Абстракт
Консорциум NANOGrav обнаружил изотропный фон гравитационных волн (GWB) с амплитудой h~10^-15 и частотой f~10^-8 Гц с помощью наблюдений миллисекундных пульсаров. Мы предполагаем, что GWB - это реликтовое излучение, оставшееся от сливающихся черных дыр звездной массы (SBH) во время Большого Сжатия на z~10^10. Реликтовые гравитационные волны аналогичны гравитационным волнам с f~10^2 Гц, обнаруженным LIGO в 2015 году, с учетом уменьшения частоты в 10^10 раз из-за расширения Вселенной. Мы берем за основу наблюдаемый спектр 139 SBH, обнаруженных обсерваторией LIGO. Наша модель хорошо объясняет все наблюдаемые особенности GWB. В отличие от всех других моделей GWB, наша модель предсказывает резкое уменьшение амплитуды GWB на частотах f>3.5*10^-8 Гц, отражая дефицит SBH с массами <4 M_solar. Слияния SBMH при Большом Сжатии должны привести к еще не обнаруженному GWB с частотой f~10^-(14-17) Гц.
Ключевые слова: гравитационные волны, NANOGrav, черные дыры, осциллирующая Вселенная
1. Введение
Изотропное реликтовое излучение, открытое Пензиасом и Уилсоном (1965), представляет собой реликтовое излучение сжатой горячей Вселенной, которое понизило свою температуру во время расширения (Гамов, 1953; Дикке и др., 1965; Мазер и Бослоу, 2008). Реликтовые гравитационные волны (ГВ) обсуждались во многих работах (см., например, Зельдович, Новиков, 1983; Грищук, 2005). Самыми мощными известными источниками гравитационного излучения являются сливающиеся черные дыры (ЧД). В 2015 году группа LIGO обнаружила гравитационные волны с f~10^2 Гц, вызванных слиянием черных дыр со звездными массами (SBH до 100 солнечных масс) (Abbot et al., 2016). Гравитационное излучение современной двойной сверхмассивной чёрной дыры может генерировать гравитационные волны длиной около светового года, которые можно обнаружить по вариациям радиоимпульсов миллисекундных пульсаров (Сажин, 1978, Detweiler, 1979, Jaffe and Baker, 2003). Недавно консорциум NANOGrav объявил о возможном открытии изотропного стохастического фона гравитационных волн с частотой f~2.5*10^-9 - 1.2*10^-8 Гц (или 2.5-12 наногерц) и амплитудой h~10^-15 (Арзуманян и др., 2020). Предполагается, что эти волны генерируются современными двойными сверхмассивными чёрными дырами (Jaffe and Baker, 2003), хотя были выдвинуты многие другие гипотезы происхождения GWB: от коллапсирующих флуктуаций на ранних стадиях Большого взрыва (Nguyen et al. , 2020, Luca et al., 2021) до разрыва космической струны (Buchmuller et al., 2021).
В нашей работе анализируется формирование GWB в циклической Вселенной. Модель осциллирующей Вселенной была популярна до 1980-х годов (Гамов, 1953; Дикке и др., 1965; Зельдович, Новиков, 1983; Пиблз, 1993), а сейчас интерес к этой модели нарастает (Гурзадян, Пенроуз, 2013; Поплавский, 2021; Валентино и др., 2019; Горькавый, Тюльбашев, 2021). Классическая циклическая космология включала механизм периодической трансформации химических элементов: эффективная фотодиссоциация тяжелых атомных ядер на отдельные барионы начиналась, когда температура электромагнитного реликтового излучения в сжатой Вселенной достигала ~3*10^10 K. Так был создан водород для образования звезд в новом цикле. Температура ~3*10^10 K достигается при z~1.6*10^10., что соответствует радиусу Вселенной примерно в 3 световых года (Вайнберг, 1972).
В статьях Горькавый и Тюльбашев, 2021; Горькавый, Васильков, 2018; Горькавый и др., 2018 анализировалась циклическая модель Вселенной с большим количеством черных дыр (см. Рис.1). Очевидно, что при коллапсе Вселенной значительная часть гравитационной массы сливающихся черных дыр превращается в гравитационные волны. Механизм Большого Взрыва в такой модели основан на метрике Шварцшильда с переменной массой (Кучера, 2003; Горькавый, Васильков, 2016). Эпоха множественного слияния черных дыр начинается, когда Вселенная сжимается до объема, сопоставимого с общим объемом существующих ЧД. Этот процесс должен быть естественным для многих циклических моделей Вселенной (Гурзадян, Пенроуз, 2013; Поплавский, 2021; Горькавый и Тюльбашев, 2021; Горькавый, Васильков, 2018; Горькавый и др., 2018; Пенроуз, 2011). Нетрудно оценить, что общий объем ЧД во Вселенной определяется наиболее массивными СМЧД: если взять среднюю массу СМЧД в 10^8 M_solar (Nguyen et al., 2020), то тогда10^11 таких дыр можно упаковать в коробку размером 0.3 световых года. Если масса сверхмассивной чёрной дыры равна 10^9 M_solar (Nguyen et al., 2020), то даже для тогда10^9 таких дыр потребуется коробка размером 0.7 световых года. Таким образом, когда размер сжимающейся Вселенной уменьшится в ~10^10 раз - до нескольких световых лет, черные дыры начнут массово сливаться из-за нехватки места. Существует равновесное значение z_0, которое допускает колебания Вселенной, которая не накапливает тяжелые элементы и согласуется с наблюдаемой популяцией черных дыр. Если z меньше z_0, тогда температура Вселенной будет недостаточна для фотодиссоциации ядер железа. Если z больше z_0, тогда общий объем наблюдаемых черных дыр будет слишком большим для такого маленького объема Вселенной. Горькавым и др. (2018) была получена оценка z_0~10^10 независимо от данных NANOGrav.
Мы предполагаем, что длинноволновое гравитационное излучение, зарегистрированное NANOGrav (Arzoumanian et al., 2020), является реликтовым гравитационным излучением от множественного слияния черных дыр во время Большого Сжатия: f_GWB~f_LIGO/z_0. Следовательно, GWB является реликтовой версией GW, обнаруженных LIGO и растянутых из-за расширения Вселенной. Покажем, что данные NANOGrav можно объяснить в рамках циклической модели Вселенной с темной материей из черных дыр без выдвижения новых гипотез и подгонки свободных параметров. Кохри и Терада, 2021; Васконен и Вирмае, 2021 также предполагают, что GWB, обнаруженные NANOGrav, генерируются при слиянии первичных SBH, которые сформировались на ранних стадиях этого цикла Вселенной. В нашей модели эти SBH приходят из прошлых циклов Вселенной. Как будет показано ниже, наша модель и гипотеза, опубликованная Kohri and Terada, 2021; Vaskonen и Veermae, 2021, имеют важные различия в наблюдательных предсказаниях.
Рис. 1. Эволюция реликтовых электромагнитных волн (CMB) (a) и гравитационного излучения (GWB) (b) во Вселенной во время Большого Сжатия и Большого Взрыва. Из Горькавого и др. (2018), с доработками.
2. GWB в однокомпонентной модели.
Оценим современные частоты и амплитуды гравитационных волн, образовавшихся во время Большого Сжатия. Уравнение для амплитуды гравитационного излучения двойной системы черных дыр одинаковой массы M, расположенной на расстоянии D от наблюдателя, можно записать как (Jaffe and Baker, 2003):
где T - период собственного вращения двойной системы. Формула (1) и последующие формулы получены в случае асимптотически плоского пространства-времени. В случае замкнутой Вселенной формулы для длины и массы включают множитель [1-(D/Ru)^2]^-1/2, где Ru- радиус кривизны Вселенной (см., например, Peebles, 1993). Мы будем использовать формулу (1) и последующие формулы, предполагая, что обсуждаемые расстояния меньше радиуса кривизны Вселенной (D/Ru)^2<<1. Характерное время гравитационного излучения такой системы можно получить из уравнения (Jaffe, Baker, 2003):
Амплитуда и частота гравитационной волны достигают своего максимального значения, а период - минимального значения непосредственно перед слиянием черных дыр. В этом случае уравнения (1), (2) упрощаются. Максимальная частота гравитационного излучения при слиянии двух одинаковых черных дыр записывается в виде (см., например, Wen et al., 2009):
где Ms - масса черной дыры в массах Солнца, f измеряется в герцах. Выражение (1+z) в знаменателе описывает уменьшение частоты из-за космологического красного смещения, а коэффициент 2 в числителе появляется из-за квадрупольной природы гравитационного излучения (Arzoumanian et al., 2020). Из (3) получаем, что слияние черных дыр с массой ~10M_solar (именно такие события были зарегистрированы LIGO Abbot et al., 2016) дает собственную частоту генерируемых гравитационных волн f_0=2/T~ 2.2*10^2 Гц. Учитывая (3) и z~1.6*10^10, получаем наблюдаемую частоту гравитационного стохастического излучения f~1.4*10^-8 Гц,, которая совпадает с частотой волн, обнаруженных NANOGrav. Из (3) получаем минимальное значение:
и подставим (4) в (1), учитывая уравнение для радиуса черной дыры R=2GM/c^2. Мы получаем:
Для объединения двух ЧД с R=10^7 см на расстоянии D~10^9 световых лет, мы получаем типичную амплитуду GW, зарегистрированную LIGO: h~10^-21 (Abbot et al., 2016). Уравнение (2) также упрощается для случая максимальной частоты (3):
Чтобы оценить полную энергию гравитационного излучения сливающихся черных дыр, возведем в квадрат амплитуду (5) и запишем:
где t0- время свободного пробега ЧД, движущейся со скоростью V, до столкновения и слияния с другой ЧД (Фролов, Новиков, 1998):
где n=3N/(4Pi*a^2)- концентрация черных дыр, расположенных в сфере радиуса a. Отношение tau/t0 характеризует долю времени, в течение которой дыра излучает, сливаясь с другой дырой. Из уравнения (7), с учетом (6), (8), получаем для средней амплитуды фоновых гравитационных волн, генерируемых SBH во время Большого Сжатия:
где для оценки было взято N=10^22: (Горькавый, Тюльбашев, 2021); R=10^7 см; D~10^10 световых лет; a= 3 световых года; V~c . Мы предположили, что относительные скорости черных дыр в максимально сжатой Вселенной сравнимы со скоростью света. Гипотеза о накоплении черных дыр и GWB от цикла к циклу Вселенной (Горькавый, Тюльбашев, 2021) изменит смысл параметров в уравнении (9), например, N будет означать сумму источников GWB за определенное количество циклов. Сравним амплитуды фоновых гравитационных волн от слияния SBH при Большом Сжатии z~10^10 и от слияния SMBH в более позднее время (z порядка единицы):
Здесь приняты следующие оценки:
Последний множитель в (10) несущественен, потому что он достаточно близок к 1:
Мы можем получить оценки фоновых волн, генерируемых черными дырами на разных этапах эволюции Вселенной (см. Таблицу 1, где масса SMBH в 10^6 раз больше SBH).
Из (10) и таблицы 1 следует, что амплитуда стохастических гравитационных волн, вызванных слиянием SBH на стадии Big Crunch, значительно превышает амплитуду волн, генерируемых современными слияниями SMBH в центрах галактик. Обратите внимание, что при оценке излучения современных сверхмассивных черных дыр обычно учитывается не момент слияния, а скорее стабильное вращение черных дыр вокруг центра масс (Jaffe and Baker, 2003). В этом случае амплитуды излучения отдельной системы меньше, но время излучения tau в (7) больше. К сожалению, в таких расчетах есть большая неопределенность, связанная с вероятностью слияния галактик и проблемой сближения центральных сверхмассивных ЧД на последних парсеках (Jaffe, Baker, 2003; Wen et al., 2009; Goulding et al., 2019). Слияние во время Big Crunch SMBH с массой 10^7-10^10 M_solar будет генерировать излучение с частотой f_0~10^-(4-7). Принимая во внимание z~10^10, получаем, что в современную эпоху должны быть очень длинные гравитационные волны с частотой f_0~10^-(14-17) Гц. Такие волны имеют длину, равную ~10^-(1-4) размерам Вселенной. Из (9) следует, что слияние сверхмассивных чёрных дыр будет генерировать GWB со значительной амплитудой. Например, для частоты f~10^-14 Гц амплитуда GW будет в ~ 10^4 раз больше, чем амплитуда GW, обнаруженная NANOGrav (Arzoumanian et al., 2020) (см. Таблицу 1). Обнаружение таких длин волн возможно с использованием данных астрометрического спутника Gaia (Gwinn et al., 2019; Book, Flanagan, 2011; Moore et al., 2017).
Таблица 1. Оценки амплитуды и частоты GWB от разных источников.
3. GWB в многокомпонентной модели.
В наших оценках мы предположили, что все ЧД имеют одинаковую массу. Предположим, что массовое распределение SBH, участвующих в слияниях во время Большого Сжатия, близко к современному распределению черных дыр, поскольку популяция реликтовых черных дыр может образовываться из астрофизических черных дыр, которые накапливаются в повторяющихся циклах Вселенной (Горькавый и Тюльбашев, 2021). Наблюдаемая популяция черных дыр состоит в основном из SBH от 4 до 100 M_solar (Горькавый, Тюльбашев, 2021; Аббот и др., 2020) и сверхмассивных ЧД ~10^5-10^10 M_solar, расположенных в центрах галактик (Черепащук, 2014).
Следует учитывать, что в формулу (9) входит массовое распределение черных дыр N(m). На рис. 2 показан спектр массы ЧД как функция частоты h(f) в предположении, что сливающиеся черные дыры генерируют гравитационное излучение одной длины волны (с максимальной частотой и амплитудой). Рис. 2 показывает, что зарегистрированные гравитационные волны расположены вблизи максимальной амплитуды гравитационных волн, которые следуют из нашей модели.
Также рис. 2 показывает, что из-за влияния спектра масс черных дыр частотная зависимость амплитуды может значительно меняться. Для f~(2.5-6.3)*10^-9 Гц (или 2.5-6.3 нГц) наша модель дает h~f^-(0.5-0.6), что близко к наблюдению NANOGrav (см. Рис. 2). Спектр гравитационного излучения малых (4-20 M_solar) SBH зависит от наблюдательной селекции, поэтому трудно сделать какие-либо надежные выводы для f>6.3*10^-9 Гц (или f>6.3 нГц). Самым надежным наблюдательным фактом является отсутствие черных дыр массой менее 4 солнечных масс с f>3.2*10^-8 Гц (или f>32 нГц), которые должны отражаться в спектре гравитационных волн. Барьер f=lg(3.2*10^-8)=-7.5 (отмечен вертикальной линией) соответствует периоду гравитационных волн в один год.
Согласно наблюдениям, нет никаких астрофизических черных дыр, масса которых меньше чем в 4 раза превышает массу Солнца, или их очень мало. Это должно вызвать сильный дефицит GWB с частотами f>3.2*10^-8 Гц (см. Рис. 2). Действительно, нет «каких-либо обнаруживаемых вкладов от GWB» на частотах f>1.2*10^-8 Гц (или 12 нГц) (Arzoumanian et al., 2020). Мы считаем этот факт очень важным. Дефицит (за пределами ожидаемых степенных зависимостей) GWB на частотах f>3.2*10^-8 Гц (или f>32 нГц) подтвердит нашу модель.
Рис. 2. Сплошная кривая BH: спектр масс SBH по данным LIGO с добавлением черных дыр в двойных звездных системах (Abbot et al., 2020, Cherepashchuk, 2014) в зависимости от частоты GW (стрелками обозначена величина масса ЧД, соответствующая конкретной частоте GWB). Сплошной линией GWB показана теоретически рассчитанная амплитуда гравитационного излучения при слиянии SBH. Пунктирными частями кривых BH и GWB показаны зоны с низкой статистикой. Пунктирным прямоугольником показана граница, соответствующая частоте гравитационных волн, обнаруженных NANOGrav (жирная прямая линия, максимум которой совпадает с максимумом модельной кривой). Штрихпунктирной вертикальной линией показана граница, соответствующая частоте гравитационных волн 3.2*10^-8 Гц (или 1/год) от слияния черных дыр при ~4M_solar, поэтому справа от этой линии будет сильный дефицит GWB по сравнению с экстраполированными данными NANOGrav (пунктирное продолжение толстой прямой линии) и теоретическими моделями, основанными на гравитационных волнах от сверхмассивных чёрных дыр (Jaffe, Baker, 2003).
4. Обсуждение
Стохастические гравитационные волны должны сопровождаться квадрупольной пространственной корреляцией согласно кривой Хеллингса - Даунса (Hellings and Downs, 1983). Как показывают результаты НАНОГрав, фон стохастических гравитационных волн не имеет признаков монопольных и дипольных волн. В то же время GWB имеет некоторые признаки квадрупольной пространственной корреляции, но с низким уровнем статистической достоверности (Arzoumanian et al., 2020). После отправки этой статьи в журнал была опубликована статья (Гончаров и др., 2021) с результатами анализа Parkes Pulsar Timing Array (PPTA). Исходя из предположений анализа NANOGrav, команда PPTA с высокой степенью достоверности обнаружила по 26-ти миллисекундным пульсарам PPTA-DR2 коррелированный по времени сигнал с общим спектром во времени: h~2.2*10^-15 на частоте 1 год^-1 (Гончаров и др., 2021). Данные PPTA также показали статистически слабые признаки квадрупольной пространственной корреляции. Romano et al. (2021) показывают, что текущее отсутствие доказательств квадрупольной пространственной корреляции согласуется с величиной коэффициентов корреляции для пар базовых линий Земля-пульсар в массиве, а также с тем фактом, что массивы синхронизации пульсаров, скорее всего, работают в промежуточном сигнальном режиме. Мы полагаем, что слабая квадрупольная корреляция, обнаруженная в обеих работах (рис. 7 Arzoumanian et al., 2020 и рис. 3 Goncharov et al., 2021), будет расти с увеличением количества используемых данных. Обсуждения вокруг GWB (Arzoumanian et al., 2020; Goncharov et al., 2021; Romano et al., 2021) показывают, что статистические методы, используемые при анализе сигналов пульсаров, содержат важные допущения, которые необходимо изучить, чтобы окончательно доказать обоснованность открытия. С нашей точки зрения, достоверность открытия стохастического фона гравитационных волн подтверждается тем, что существование мощного фона реликтовых наногерцовых волн было предсказано в статье Горькавый, Тюльбашев (2021), представленной в журнал в мае 2020 года.
5. Выводы
Детекторы LIGO наблюдают гравитационные волны от редких современных слияний SBH - самых многочисленных черных дыр во Вселенной. Мы полагаем, что телескопы NANOGrav и PPTA зарегистрировали всплеск аналогичного гравитационного излучения от многочисленных слияний SBH во время Большого Сжатия. Уменьшение в 10^10 раз частоты этих реликтовых гравитационных волн связано с расширением Вселенной. Мы считаем, что данные NANOGrav и PPTA подтверждают гипотезу о том, что черные дыры могут составлять основную часть темной материи (Bird et al., 2016; Kashlinsky, 2016; Clesse and Garcia-Bellido, 2017) и что значительная часть наблюдаемых черных дыр пришли из прошлого цикла пульсирующей Вселенной (Гурзадян и Пенроуз, 2013; Клифтон и др., 2017). Примечательно, что параметр, удовлетворяющий модели циклической Вселенной, оказывается как раз таким, что частота реликтовых гравитационных волн совпадает с частотой гравитационных волн, наблюдаемых NANOGrav и PPTA.
Из нашей модели можно сделать конкретные выводы, которые можно проверить наблюдениями:
1. Спектр GWB, обнаруженный NANOGrav и PPTA, не будет описываться законом Планка или каким-либо другим законом, связанным с тепловым равновесием. GWB должен отражать наблюдаемое распределение черных дыр (SBHs и SMBHs).
2. Амплитуда GWB, обнаруженная NANOGrav и PPTA, уменьшается с увеличением частоты, но скорость этого уменьшения станет особенно заметной на частоте f>3.2*10^-8 Гц (или f>32 нГц) (период колебаний меньше года) из-за отсутствия астрофизических черных дыр с массами <4M_solar. Эта особенность спектра не может быть предсказана ни одной моделью, основанной на гипотезе о первичных черных дырах, рожденных в результате Большого Взрыва (см., Например, Kohri and Terada, 2021).
3. Многочисленные сверхмассивные чёрные дыры, которые в настоящее время наблюдаются в центрах галактик, должны генерировать низкочастотные GWB f~10^-(14-17) во время Большого Сжатия.
Автор благодарит Джона Мазера, Александра Василькова, Сергея Копейкина и Джорджа Хоббса за полезные обсуждения и комментарии.
(Список литературы - см. английский вариант статьи)