Jednak nie było żadnego Wielkiego Wybuchu? Uczeni mają problem z Hawkingiem
Według najnowszych badań nasz Wszechświat mógł wcale nie powstać w nieskończonej chwili zerowej objętości, lecz być… odbiciem wewnątrz czarnej dziury.
Standardowy model kosmologiczny - Wielki Wybuch z towarzyszącą mu inflacją - doskonale tłumaczy obserwowane fluktuacje mikrofalowego promieniowania tła czy rozmieszczenie galaktyk. Jednak jego fundament, osobliwość, wciąż stanowi zagadkę. W punkcie o nieskończonej gęstości działają prawa fizyki klasycznej, lecz tam się załamują. Stephen Hawking wspólnie z Rogerem Penrosem udowodnili w latach 60., że przy założeniach ogólnej teorii względności kolaps musi doprowadzić do syngularności.
Jednocześnie, aby rozruszać model - czyli wyjaśnić inflację i późniejszą ciemną energię - wprowadza się pola i stałe kosmologiczne, których istnienie nie zostało bezpośrednio potwierdzone. Tak rodzi się ironiczne pytanie: czy nie lepiej zacząć od procesu bardziej przyziemnego, ale zachowującego rygor naukowy?
Czytaj też:
Czarna dziura jako kolebka kosmosu
Gaztanaga i współpracownicy proponują, by zamiast śledzić ekspansję wstecz ku punkowi zerowej objętości, przyjrzeć się kwantowemu przeciwieństwu kolapsu grawitacyjnego. Eozpad masywnej gwiazdy prowadzi do czarnej dziury, ale co jednak dzieje się za horyzontem zdarzeń? W klasycznej teorii - nic dobrego, kończymy w osobliwości. Ale gdy wkraczają zasady kwantowe, sytuacja się zmienia.
Zasada wykluczenia Pauliego uniemożliwia fermionom wciśnięcie się w ten sam stan kwantowy, gdy gęstość rośnie w nieskończoność. W uproszczonym, ale dokładnym rozwiązaniu analitycznym autorzy pokazują, że kolaps odbija się w momencie, gdy gęstość osiąga wartość krytyczną ρ_G. Następuje więc odbicie - skurcz zatrzymuje się i zamienia w ekspansję.
Matematyka bicia serca Wszechświata
Kluczowa formuła określająca promień odbicia R_B wynika z równania Friedmana zmodyfikowanego o gęstość stabilnego stanu:
Gdzie to stała grawitacyjna, a
graniczna gęstość wymuszona przez regułę Pauliego. Zastosowanie tego rozwiązania w pełnej krzywiźnie sferycznej (k=1/χ_*²) dowodzi, że proces jest zupełnie analityczny i nie wymaga dodatkowych założeń.
Ponadto model tłumaczy naturalne fazy przyspieszonej ekspansji:
- Inflacja tuż po odbiciu - analogicznie do standardowego pola inflatonowego, lecz bez nowego pola,
- Ciemna energia wynikająca z tej samej dynamiki odbicia, która dziś napędza przyspieszenie ekspansji.
Testowalne przewidywania- krzywizna i misje kosmiczne
Model może zostać szybko obalony - wystarczy precyzyjnie zmierzyć krzywiznę przestrzeni. Standardowy model zakłada niemal idealną płaskość (Ω_k≈0), natomiast w wariancie czarnej dziury przewidywana jest niewielka, dodatnia wartość:
To subtelne odchylenie da się zweryfikować przez misję Euclid ESA, która od 2023 r. mapuje galaktyki na miliardy lat świetlnych.
Czy nowe rozwiązanie obala prace Penrosa i Hawkinga? Nie do końca
Zamiast unieważniać teorie osobliwości, pokazuje ich ograniczenia w klasycznym ujęciu. To konflikt kontekstu: klasyczna ogólna relatywność zderza się z kwantową naturą materii, a zwycięża zwarty opis obu w jednym, eleganckim rozwiązaniu. Jeśli kiedyś narzekaliśmy, że nasz Wszechświat zaczyna się z niczego, to teraz możemy powiedzieć, że to po prostu kolejna sesja zapisu stanu w Wielkiej Czarnej Dziurze - API kosmosu dostało update.
Według tego ujęcia nasz Wszechświat to wewnętrzny klient większej struktury - czarnej dziury w rodzicielskim kosmosie. Nie jesteśmy więc jedyni ani wyjątkowi: to część cyklu, w którym grawitacja i zasady kwantowe grają w ping-ponga od nieskończonego zapisu do ekspansji.
Jeśli kolejne obserwacje potwierdzą te przewidywania, czeka nas rewolucja par excellence. Aktualne pozostają pytania: czym są ciemna materia i ciemna energia w tym modelu? Jak powstały supermasywne czarne dziury? I wreszcie - czy nasza czarna dziura-matka też kiedyś się odbije?
