Одним из инструментов общей теории относительности (ОТО) является такой мысленный эксперимент - чтобы исследовать некоторое силовое поле, сквозь него пропускают пробные частицы, например, фотоны, и следят за траекторией их распространения. Такие траектории называют геодезическими линиями, или просто геодезическими. Однако сквозь область сингулярности геодезическую провести по определению нельзя. Она упирается в точку, где теряется смысл пространства-времени, а плотность и кривизна стремятся к бесконечности. В основу своей работы сотрудники ФИАН Владимир Лукаш и Владимир Строков положили тот факт, что бесконечность физических параметров абсурдна, и расходимости, получаемые из уравнений ОТО, свидетельствуют о неприменимости привычной нам концепции пространства-времени в области сингулярности. Поэтому для того, чтобы получить осмысленные (сглаженные) решения, они ввели гипотезу конечности метрического тензора пространства-времени.
"Главное условие распространения фотона, - объясняет заведующий отделом Теоретической астрофизики АКЦ ФИАН, доктор физико-математических наук Владимир Лукаш, - это наличие пространства, по которому он бежит. Чтобы понять, как он распространяется, достаточно посмотреть уравнение геодезической линии, а для этого нужно знать метрику и первую производную от метрики. В той процедуре сглаживания, которую мы задали, эти понятия всегда существуют. А значит, мы можем заглянуть за область сингулярности и посмотреть, что же по другую сторону. Это можно представить как две комнаты, разделенные дверью, - мы не знаем, какая жизнь в комнате за дверью, а там не знают, какая жизнь здесь. Открыть дверь нельзя, но можно сделать глазок и посмотреть. Таким глазком в черной дыре могут быть специального вида геодезические – радиальные, а сглаженную таким образом сингулярность мы назвали "интегрируемой сингулярностью".
"Размыв" ранее непроходимую точку, ученые обнаружили, что за ней идет процесс расширения, происходящий в другой Вселенной. То есть в одной области пространства-времени (в черной дыре) идет коллапс, и пробные частицы регистрируют нарастающую кривизну, а в другой области, за точкой сингулярности, происходит обратный процесс - расширение.
"То, что мы называем хаббловским потоком или "хаббловским расширением", - продолжает Владимир Лукаш, - это некая конфигурация гравитирующих частиц или материи, которой около 14 млрд лет назад был дан импульс на расширение. Откуда взялся этот толчок - и есть основная загадка космогенезиса (загадка происхождения Вселенной). И концепция нашей работы состоит как раз в попытке понять, что было в начале. Какие главные силы там работали? Наше предположение - что это были приливные гравитационные силы".
Поведение системы под действием гравитации зависит от начальных условий и свойств среды (по аналогии с лунными приливами и отливами, которые воздействуют на Землю). В одних случаях гравитация действует как сила притяжения, в других - как сила отталкивания. Модель космической инфляции, объясняющая расширение Вселенной на ранней стадии, построена как раз на действии гравитации как силе отталкивания или, другими словами, на антиколлапсе.
Как известно, достаточно массивные звезды заканчивают свою жизнь коллапсом в черную дыру. Отправная точка этого коллапса - момент, когда топливо массивной звезды полностью выгорает, и она начинает сжиматься под собственной тяжестью: оболочка звезды ускоряется и за конечное время уходит под горизонт. Но вот вопрос - что происходит с потоком импульса, когда он достигает сингулярности? Сотрудники ФИАН построили феноменологическую концепцию космогенезиса, дающую ответ на этот вопрос.
"Мы построили решение, согласно которому импульс гравитационным образом передается через сингулярность из черной дыры в белую. Когда происходит коллапс звезды в черную дыру, генерируется сильное гравитационное поле, которое вызывает рождение частиц. Затем они подхватываются белой дырой и выталкиваются из нее. Черная дыра - это откуда нельзя выбраться, а в белую, наоборот, нельзя упасть. Они существуют как два разных решения уравнения гравитации. И белая дыра как раз обладает симметрией расширения, напоминающей космологию, то есть сверхбольшими плотностями и кривизнами и импульсом на расширение. Таким образом, мы умеем теперь проходить обе сингулярности: во-первых, ту, что была за горизонтом черной дыры, и, во-вторых, сингулярность космологическую, которая была в начале расширения Вселенной. По сути, мы соединяем их в одну, и делаем ее "прозрачной" для определенного сорта геодезических от стадии коллапса до стадии начала расширения, то есть космологии", - рассказывает сотрудник ФИАН, кандидат физико-математических наук Владимир Строков.
Согласно предложенной модели, коллапсирующая звезда, образно говоря, играет роль спички, "зажигающей" большие кривизны. Кривизны приводят к интенсивным переменным гравитационным полям (вне материи этой звезды), которые содействуют рождению нового вещества. Эффект рождения частиц в переменных полях, включая гравитационные, физике известен. Самый известный пример - это рождение электрон-позитронной пары в переменном электрическом поле. А дальше, так как импульс на расширение уже дан, в игру вступает инфляция, которая может подхватить вещество и раздуть его до большого объема, делая новообразованную Вселенную согласующейся с моделью Фридмана - однородной и изотропной.
