Temná hmota z černých děr předchozího vesmíru? Nová teorie mění pohled na počátky kosmu

Model Velkého třesku, který úspěšně vysvětluje kosmické mikrovlnné pozadí a rozložení galaxií, má ve Einsteinově teorii obecné relativity jeden zásadní problém: singularitu. Jde o bod, kde se hustota stává nekonečnou a známé fyzikální zákony se hroutí.

Model Velkého třesku, který úspěšně vysvětluje kosmické mikrovlnné pozadí a rozložení galaxií, má ve Einsteinově teorii obecné relativity jeden zásadní problém: singularitu. Jde o bod, kde se hustota stává nekonečnou a známé fyzikální zákony se hroutí. Mnoho fyziků to interpretuje jako znamení, že naše současné teorie nedokážou popsat nejranější okamžiky vesmíru.

Jednou z alternativ je takzvaná „odrážející se kosmologie“. Podle tohoto scénáře vesmír před Velkým třeskem procházel fází smršťování, dosáhl extrémně vysoké, ale konečné hustoty, a místo zhroucení do singularity se odrazil a zahájil novou fázi rozpínání. Takové modely se zkoumají desítky let, často vyžadujíce úpravy gravitace nebo exotické nové složky. Nedávný výzkum však ukazuje, že odraz může vzniknout jako běžné řešení v rámci standardní fyziky, pokud se konzistentně zohlední gravitace a efekty kvantové mechaniky.

V rámci standardní kosmologie následuje po Velkém třesku období rychlého a exponenciálního rozpínání, známé jako inflace, které efektivně maže všechny stopy dřívějších struktur. V odrážejícím se vesmíru je situace odlišná. Vědci zjistili, že objekty větší než 90 metrů mohly přežít přechod ze smršťování do rozpínání. To za sebou zanechává „relikty“, které nesou informace z předchozí kosmické epochy, včetně černých děr, gravitačních vln a fluktuací hustoty. Kvantová fyzika naznačuje, že hmota se při extrémně vysokých hustotách stává „degenerovanou“, což vytváří tlak odolávající další kompresi. Podobný efekt by mohl působit i v kosmologických měřítkách a vysvětlit, proč se vesmír zcela nezhroutí a proč struktury vzniklé před nebo během odrazu mohou přežít do fáze rozpínání.

Reliktní černé díry mohou vzniknout dvěma hlavními způsoby. Prvním je přímé přežití kompaktních objektů a perturbací (fluktuací hustoty nebo gravitace) vytvořených během fáze smršťování vesmíru. Druhým, ještě zajímavějším způsobem, je přirozené shlukování hmoty pod vlivem gravitace během smršťování, které vytváří struktury podobné dnešním galaktickým halům. Po odrazu se tyto struktury mohou efektivně zhroutit do černých děr. Galaxie a hvězdy z fáze smršťování se tak efektivně zhroutí do černých děr, čímž se vymaže většina jejich detailní struktury, ale zachová se jejich hmotnost.

Mohly by tyto černé díry tvořit temnou hmotu? Po desetiletí byl hlavním kandidátem na temnou hmotu fundamentální částice, ale žádná nebyla navzdory rozsáhlým pátráním detekována. Reliktní černé díry nabízejí přesvědčivou alternativu. Pokud odraz vytvoří dostatek takových děr, mohly by tvořit významnou, možná dominantní, část temné hmoty.

Tato myšlenka se může také spojit s jednou z nejzajímavějších pozorovacích záhad posledních let. Vesmírný dalekohled Jamese Webba (JWST) odhalil v raném vesmíru populaci kompaktních, extrémně červených objektů, někdy nazývaných „malé červené tečky“. Tyto astronomické zdroje se zdají být neočekávaně masivní a zářivé jen několik stovek milionů let po Velkém třesku. Mnoho astronomů se domnívá, že jsou spojeny s rychle rostoucími černými děrami – možná zárodky supermasivních černých děr nalezených dnes v centrech galaxií. Jejich existence je však v rámci standardní kosmologie obtížně vysvětlitelná. Jak se mohly tak masivní objekty tak rychle vytvořit? Reliktní černé díry poskytují přirozené vysvětlení. Pokud masivní zárodky existovaly ihned po odrazu, raný vesmír by nemusel začínat od nuly. Supermasivní černé díry by mohly vyrůst ze starověkých přeživších, spíše než z nově vzniklých objektů. JWST tak možná již nahlíží na potomky reliktů z doby před odrazem.

Scénář odrážejícího se vesmíru nabízí jednotný způsob, jak řešit několik dlouhodobých problémů v kosmologii. Singularita Velkého třesku je nahrazena kvantovým přechodem, který by mohl souviset s konceptem „Einstein-Rosenova mostu“. Inflace přirozeně vyplývá z dynamiky v blízkosti odrazu. Temná energie může souviset s globální strukturou konečného vesmíru. Temná hmota může být složena z reliktních černých děr – možná náš vlastní vesmír začal jako jedna z nich. Gravitační vlny by mohly nést signály z předchozí kosmické fáze a supermasivní černé díry mohou mít starověký původ v souladu s nedávnými pozorováními JWST. Ještě zbývá mnoho práce, aby se tyto myšlenky otestovaly proti datům – od pozadí gravitačních vln po galaktické průzkumy a přesná měření kosmického mikrovlnného pozadí. Možnost je však hluboká: vesmír se možná nezrodil jen jednou, ale odrazil se, a temné struktury dnes formující galaxie by mohly být relikty z doby před Velkým třeskem.