Космическая дилемма «курица или яйцо»: что появилось первым — звезды или черные дыры?

Мы живём в ситуациях, к которым применима эта дилемма: что было первым, курица или яйцо? Здесь я собираюсь рассмотреть очень актуальную проблему из области астрофизики, связанную с процессами формирования галактик. Мы рассмотрим её подробнее. Мы представим проблему, используя телеграфные концепции, которые уже обсуждали, и предлагаем читателю обратиться к другим статьям этого раздела.

Галактики существовали не всегда. Было время, почти 13 миллиардов лет назад, когда не было звёзд, а был лишь суп из материи, света и тёмной энергии . Нестатичная Вселенная не нравилась Эйнштейну, но его собственные уравнения — в руках Леметра, Ливитта и Хаббла — доказали его неправоту.

Галактики умирают. Такие галактики, как наша, эти прекрасные спиральные и эллиптические галактики поблизости, умирают — или уже практически мертвы. Просто сравните, сколько звёзд образуется сегодня, с тем, сколько звёзд они содержат. Математика не сходится : при нынешних темпах Млечному Пути потребовалось бы несколько жизней, чтобы сформировать те, что у него уже есть. Следовательно, галактики прошлого должны были быть гораздо более активными в звездообразовании, что мы подтвердили, изучая Вселенную, когда ей было примерно вдвое меньше, чем сейчас.

Что-то останавливает звездообразование. Поскольку лишь небольшая часть доступного материала — преимущественно водорода — в конечном итоге превращается в звезды, что-то должно останавливать этот процесс. И виновником , согласно наиболее распространённой среди астрофизиков теории, является сверхмассивная чёрная дыра, находящаяся в ядре каждой галактики. Масса этих сверхмассивных чёрных дыр обычно составляет одну тысячную массы звёзд своей галактики, но они оказывают огромное влияние на эволюцию космоса.

Эта теория устанавливает, что в какой-то момент ранней Вселенной, возможно, через 100 или 200 миллионов лет после Большого взрыва — мы до сих пор точно не знаем, когда — начали формироваться первые звезды, поскольку первичный газ (в основном водород, но также некоторое количество гелия и очень небольшое количество других элементов, таких как литий ) конденсировался. И так родились первые галактики, где каким-то образом появились и выросли сверхмассивные черные дыры. Благодаря процессам, которые мы называем отрицательной обратной связью, эти сверхмассивные черные дыры в конечном итоге помешали газу продолжать иметь нужные свойства для формирования звезд, потому что энергия, выделяемая черной дырой, препятствует конденсации газа в галактики. Таким образом, мы имели бы процесс звездообразования, затем образование сверхмассивной черной дыры, и в конечном итоге это остановило бы звездообразование.

Но космический телескоп JWST меняет это, возможно, весьма наивное представление. Мы открываем множество очень далёких галактик, то есть галактик, существовавших, когда Вселенная была очень молодой, в которых уже были сверхмассивные чёрные дыры. И они были очень, очень большими, когда Вселенная была менее 10% от её нынешнего возраста! Даже среди, скажем, десяти самых далёких галактик, о которых мы знаем, с полностью подтверждённым расстоянием, половина может иметь чёрные дыры такой же массивной, как сам Млечный Путь — около миллиона солнц, или даже несколько больше. Они настолько велики, что их масса может превышать звёздообразную массу родительских галактик в этой молодой Вселенной. Обратите внимание на условное наклонение: мы всё ещё проверяем наши расчёты. Мы также обнаружили объекты, которые могли иметь ещё большие массы чуть позже, в первые 15% истории Вселенной, так называемые маленькие красные точки . Очень трудно объяснить, как такие большие черные дыры могли образоваться за столь короткое время, да еще и в галактиках с таким малым количеством звезд.

И вот тут возникает дилемма «курица или яйцо». Действительно ли процесс состоял в том, что сначала образовались звёзды, затем появились чёрные дыры, затем чёрные дыры выросли, а затем чёрные дыры окончательно остановили звездообразование? Или, возможно, чёрные дыры появились раньше первых звёзд, затем начали формироваться солнца, затем чёрные дыры выросли, а затем галактики умерли? Назовём чёрные дыры яйцом, а звёзды — курицей, или наоборот.

Вопрос нетривиальный. Если сверхмассивные чёрные дыры существовали до звёзд, возможно, они изначально способствовали формированию солнц, но затем сделали всё наоборот, предотвратив образование новых солнц. Если чёрные дыры уже существовали, их происхождение не может быть звёздным, о чём у нас есть немало данных; мы знаем, какие звёзды образуют чёрные дыры (но крошечные по сравнению с этими сверхмассивными). Так что же произошло? Были ли они там всегда? Образовались ли они в результате процесса, который пока не наблюдался и, возможно, совершенно неизвестен, или же известен, но не доказан?

Дилемма курицы и яйца не нова. Похоже, Аристотель уже обращался к ней, пытаясь определить причины и следствия и найти первопричину, не имеющую движения. Все куры появляются из яиц, а все яйца производят кур. Невозможно одно без другого и наоборот, если оставить в стороне рассуждения об эволюции видов (да, яйца были до кур). Существует бесконечная последовательность, и Аристотель пришёл к выводу, что нет начала; ничто не может возникнуть первым в этой последовательности. Если ничто не может возникнуть первым, то мы ставим под сомнение понятие времени. Более того, Плутарх, размышляя над той же проблемой, похоже, задавался вопросом, имел ли мир начало. А отсюда мы можем перейти к обсуждению творения и перейти к теологии. Это не моя область знаний, и это не область знаний данного раздела.

«Космическая пустота» – это раздел, представляющий наши знания о Вселенной как в качественном, так и в количественном отношении. Цель раздела – объяснить важность понимания космоса не только с научной точки зрения, но и с философской, социальной и экономической. Название «космическая пустота» указывает на то, что Вселенная по большей части пуста, с менее чем одним атомом на кубический метр, несмотря на то, что, как ни парадоксально, в нашем окружении содержится квинтиллион атомов на кубический метр, что побуждает к размышлениям о нашем существовании и наличии жизни во Вселенной. Раздел составлен Пабло Г. Пересом Гонсалесом , исследователем Центра астробиологии, и Эвой Вильявер , заместителем директора Института астрофизики Канарских островов.