September 21st, 2021

krym

Борис Штерн и «Первичные черные дыры»

В газете «Троицкий вариант» от 21 сентября 2021 года вышла статья Бориса Штерна «Первичные черные дыры» https://trv-science.ru/uploads/338N.pdf
Мне предложили прокомментировать эту статью. Легко.
Тезисы Б. Штерна можно разложить на несколько полок:

1. Темнота происхождения первичных дыр, которые перспективны как «темная материя»
«Происхождение всех известных нам черных дыр можно объяснить астрофизическими процессами: коллапсом тяжелых звезд и дальнейшим ростом за счет их слияния и падения на них вещества (аккреции). Но не могли ли какие-то черные дыры образоваться в первые мгновения существования Вселенной и даже дожить до нашего времени?»
«Самое популярное «применение» первичных черных дыр — темная материя. Действительно, они вполне могли бы заменить гипотетические частицы неизвестной природы, претендующие на роль холодной темной материи. Тогда не надо будет искать новые частицы, зато придется изобретать механизмы рождения первичных черных дыр нужной массы в достаточном количестве. Какая из этих возможностей лучше согласуется с принципом Оккама, трудно сказать. Мое личное мнение — новые частицы типа WIMP (слабо взаимодействующие массивные частицы) — менее громоздкая новая сущность, хотя существует и противоположная точка зрения».
Итак, первичные черные дыры, неприятно отличаются от обычных дыр, которые образуются и растут при коллапсе звезд и аккреции, тем, что для них нужно придумывать новый механизм образования. И ВИМПы кажутся Штерну «менее громоздкой новой сущностью»

2. Квазары как первичные черные дыры
«Пожалуй, самое насущное приложение первичных черных дыр — ранние квазары (сверхмассивные черные дыры). Проблема ранних квазаров уже рассматривалась в публикации ТрВ-Наука [2]. Существует ограничение на скорость роста черных дыр, связанное с тем, что излучение, выделяемое падающим веществом, своим давлением останавливает падение на дальних подступах».
«Чтобы они (СМЧД) успели образоваться, на старте во времена в десятки миллионов лет уже должны были существовать черные дыры-зародыши массой около 10^5 М_солнца. Возникает соблазн приписать их первичным черным дырам».
Но возникает проблема образования таких массивных «зародышей»:
«Пока полной ясности с перечисленными возможностями нет, но во всяком случае, сопутствующие проблемы явно не сложней тех, что связаны с гипотетическим рождением черных дыр нужной массы»
То есть, нам нужны сверхмассивные (до миллиардов масс солнца) черные дыры для квазаров, но где взять «затравки» для них - черные дыры с массой в сто тысяч масс солнца?

3. Наблюдательные ограничения против количества первичных дыр как темной материи
На первичные черные дыры накладываются наблюдательные ограничения (разной степени в разных диапазонах масс). Например:
«Выше массы 10^24 г вступает в силу гравитационное микролинзирование. При таких массах первичные черные дыры вызывали бы всплески яркости далеких звезд, проходя близко к лучу зрения”.
С ростом массы дыр, вступают в дело другие ограничения, но, как отмечает Штерн:
«В районе 1 М_солнца и тем более выше это ограничение не работает, так как слияние таких объектов наблюдается и точно сказать, что они обусловлены нейтронными звездами и обычными черными дырами, никто не может. Здесь допускается F ~10–15%»
Последняя цифра означает, что доля дыр с массой выше 1 массы солнца может достигать 10-15 процентов от требуемой массы темной материи.

4. Теоретические аргументы против образования первичных дыр
«Могут ли черные дыры рождаться во время инфляции? В обычных моделях космической инфляции с гауссовскими неоднородностями такая возможность практически отсутствует. Вероятно, возможны какие-то хитроумные модели, где негауссовость столь сильна, что появляются сильные флуктуации, дотягивающие до коллапса, но в любом случае масса рождающихся черных дыр измеряется максимум килограммами, и они быстро испаряются».
Дальше еще много возражений теоретического характера и итог:
«В целом позиция автора данной заметки по поводу сколько-нибудь значимой роли первичных черных дыр в космологии довольно скептическая. Прямых сильных аргументов для этого скептицизма нет, есть скорее косвенный: принцип Оккама. Первичные черные дыры требуют лишних сущностей, причем довольно радикальных, не будучи жизненно необходимыми для объяснения наблюдений».

Мои комментарии: я могу согласиться практически со всеми тезисами Штерна и разделить (и даже усилить) его скептицизм насчет первичных черных дыр. Вот только разделавшись с моськой, слона-то автор и не приметил. А кроме «первичных черных дыр» есть «реликтовые черные дыры». Вот цитата из нашей статьи в «Астрофизическом бюллетене», 2021 (https://www.sao.ru/Doc-k8/Science/Public/Bulletin/Vol76/N3/ASPB285.pdf):
«Так как термин «первичные черные дыры» используется по отношению к черным дырам, которые возникли в самом начале данного цикла Вселенной, то мы будем использовать для черных дыр, оставшихся от прошлых циклов Вселенной, термин «реликтовые черные дыры».
Гипотезы о таких реликтовых дырах высказывались рядом авторов (А.Д. Сахаровым, Р. Пенроузом, В. Гурзадяном), в том числе и Карром (!), на работу которого опирается Штерн: T. Clifton, B. Carr, and A. Coley, Classical and Quantum Gravity 34 (13), 135005 (2017).

Итак, как выглядят «реликтовые дыры» с точки зрения анализа Штерна?
1. Пункт 1: для образования реликтовых дыр не нужен никакой новый механизм образования, они рождаются, как обычные дыры – при взрывах звезд и растут при аккреции. Так что, Оккам зарезает ВИМПы, которые пусть и менее громоздкая новая сущность, но тем не менее – она новая и ничем теоретически не обоснована, кроме потребности квантовых космологов её иметь.
2. Пункт 2. Как показывает наша модель, опубликованная в «Астрофизическом бюллетене», 2021, рост дыр в циклической Вселенной как раз и приводит к тому, что перед последним циклом (перед образованием СМЧД, который образуются всего за одно сжатие Вселенной) образуется набор дыр промежуточной массы – как раз такой, какой нужен для «затравок». Цитата из Заключения: «Популяция IMBH (10^2–10^5 M_солнца) потеряла свою коллективную численность и суммарную массу по сравнению c SBH в ходе многократных циклов. Зато IMBH стала прародительницей быстро растущих SMBH…»
3. Пункт 3. Как отмечает сам Штерн, для дыр с массой от 1 до 5 масс солнца ограничения слабы – они могут отвечать за 15% от массы темной материи. Как уже показано рядом автором, если учесть тенденцию черных дыр собираться в скопления (типа известных шаровых кластеров звезд), то это ограничение снимается – вне зависимости от природы черных дыр. Да и надо всего-то – выиграть один порядок. Так что это легкий пункт.
4. Штерн блестяще показал, что первичные черные дыры, которые очень желательны для темной материи и для квазаров, не могут образовываться в рамках инфляционных моделей космологии (вот Долгов расстроится). Тем самым, статья Штерна значительно укрепляет позиции циклической космологии, которая порождает нужное количество реликтовых дыр нужной массы без каких-либо затруднений и дополнительных предположения. Оккам - за нас!

Приведу смелую аналогию: полицейские расследуют происхождение огромного богатства (=темной материи) у сравнительно молодого человека (= Вселенной). Есть два варианта: это богатство было получено им как наследство, накопленное сотнями поколений предков (реликтовое богатство), или молодой человек в детсадовском возрасте сумел таинственным образом ограбить банк и баснословно разбогатеть (концепция первичного, раннего богатства). Сами решите, что реалистичнее.

Отмечу, что статья Штерна доказывает одно: чем дольше квантовые космологи будут игнорировать возрождающуюся трудами многих теоретиков и наблюдателей модель циклической космологии с реликтовыми черными дырами в качестве темной материи, тем все более архаичными и оторванными от реальности будут выглядеть их собственные работы, даже самые свежие.