Спросите Итана №18: Почему мы все не внутри чёрной дыры?

Мир вам ничего не должен – он был тут раньше вас.
— Марк Твен

Читатель спрашивает:

А почему Вселенная не сжалась в чёрную дыру сразу после Большого взрыва?

http://geektimes.ru/post/259122/
Честно говоря, я и сам об этом много думал. И вот почему.



Вселенная в наше время полна всего. Наша галактика — это крутой замес из звёзд, планет, газа, пыли, большого количества тёмной материи, содержащая от 200 до 400 миллиардов звёзд, и весящая в сумме в триллион раз больше, чем вся наша Солнечная система. Но наша галактика — всего лишь одна из триллиона галактик схожего размера, разбросанных по Вселенной.



Но как бы ни была массивна Вселенная, эта масса распределена по огромному пространству. Наблюдаемая часть Вселенной составляет в диаметре порядка 92 миллиардов световых лет, что по сравнению с границами нашей Солнечной системы трудно себе представить. Орбита Плутона и других объектов пояса Койпера составляет 0,06% от светового года. Поэтому у нас есть огромная масса, распределённая по огромному объёму. И хотелось бы представить, как они соотносятся друг с другом.



Ну, наше Солнце весит 2*10^30 кг. Это значит, что оно содержит 10^57 протонов и нейтронов. Если учесть, что во Вселенной содержится 10^24 солнечных масс обычной материи, получается, что в сфере радиусом 46 миллиардов километров содержится 10^81 нуклонов. Если посчитать среднюю плотность Вселенной, она окажется равной примерно двум протонам на кубический метр. А это МИЗЕР!

Поэтому, если начать думать о ранней стадии развития нашей Вселенной, когда вся материя и энергия были собраны в очень маленьком пространстве, которое было гораздо меньше даже нашей Солнечной системы, приходится задуматься над вопросом нашего читателя.



Когда Вселенная была возрастом в одну пикосекунду после Большого взрыва, вся эта материя, содержащаяся сейчас в звёздах, галактиках, кластерах и суперкластерах Вселенной, находилась в объёме меньшем, чем сфера с радиусом равным текущему радиусу орбиты Земли.

И, не умаляя теории насчёт того, что вся Вселенная уместилась в таком маленьком объёме, скажем, что нам известны чёрные дыры, которые уже существуют, и масса которых гораздо меньше массы Вселенной, а их размер при этом гораздо больше, чем упомянутый объём!



Перед вами — гигантская эллиптическая галактика Messier 87, самая большая галактика на расстоянии в 50 миллионов световых лет от нас, что составляет 0.1% от радиуса наблюдаемой Вселенной. В её центре есть супермассивная чёрная дыра, с массой в 3.5 миллиардов солнечных. Это значит, что у неё шварцшильдовский радиус — или радиус, из которого не может убежать свет. Он составляет примерно 10 миллиардов километров, что в 70 раз больше расстояния от Земли до Солнца.

Так что если такая масса в таком маленьком объёме приводит к появлению чёрной дыры, почему же масса в 10^14 раз большая, находясь в ещё меньшем объёме, не привела к появлению чёрной дыры, а, очевидно, привела к появлению нашей Вселенной?



Так она чуть и не привела. Вселенная со временем расширяется, а скорость её расширения уменьшается по мере нашего движения в будущее. В далёком прошлом, в первых пикосекундах Вселенной скорость её расширения была намного, намного больше, чем сейчас. Насколько больше?

Сегодня Вселенная расширяется со скоростью примерно 67 км/с/МПк, что означает что на каждый мегапарсек (примерно 3,26 миллиона световых лет) на котором что либо находится от нас, расстояние между нами и этим объектом расширяется со скоростью 67 километров в секунду. Когда возраст вселенной составлял пикосекунды, эта скорость была ближе к 10^46 км/с/МПк. Чтобы представить себе это, можно сказать, что такая скорость расширения сегодня привела бы к тому, что каждый атом материи на Земле удалялся бы от других так быстро, что расстояние между ними увеличивалось бы на световой год каждую секунду!



Это расширение описывает уравнение выше. На одной его стороне есть H, хаббловская скорость расширения Вселенной, а на другой — много всякого. Но самое важное – это переменная ρ, которая обозначает плотность энергии Вселенной. Если H и ρ идеально сбалансировать, Вселенная сможет прожить очень долго. Но даже небольшой дисбаланс приведет к одному из двух очень неприятных последствий.



Если бы скорость расширения Вселенной была чуть поменьше, относительно количества её массы и энергии, то нашу Вселенную ждал бы почти мгновенный коллапс. Превращение в чёрную дыру или Большое сжатие произошло бы очень быстро. А если бы скорость расширения была бы чуть-чуть повыше, то атомы вообще бы не соединились друг с другом. Всё расширялось бы так быстро, что каждая субатомная частица существовала бы в своей собственной Вселенной, и ей не с чем было бы взаимодействовать.

А насколько должны были отличаться скорости расширения для получения таких разных результатов? На 10%? На 1%? На 0.1%?



Берите выше. Потребовалась бы разница менее чем в 1/10^24, чтобы дать Вселенной время просуществовать в течении 10 миллиардов лет. То есть, даже отличия на 0.00000001% от произошедшей скорости расширения было бы достаточно, чтобы Вселенная сколлапсировала бы обратно меньше чем за секунду, если бы расширение было слишком медленным. Или для предотвращения формирования даже одного атома гелия, если бы расширение было слишком большим.

Но у нас ничего этого нет: у нас есть Вселенная, представляющая собой пример почти идеального баланса между расширением и плотностью материи и излучения, и отличается текущее состояние от идеального баланса всего лишь на очень небольшую ненулевую космологическую константу. Почему она есть, мы объяснить пока не можем, но может быть, вам понравится изучать то, что её не объясняет!