Возраст Вселенной оценивается примерно в 13,8 миллиарда лет. Тем не менее исследователи способны моделировать не только первые миллионы или тысячи лет её эволюции, но и буквально первые секунды после Большого взрыва — тот момент, когда пространство, материя и энергия только начинали формировать привычный космический порядок. Такие расчёты помогают понять, как из раскалённой смеси частиц — того самого первичного «супа» — постепенно возникли звёзды, галактики и, в конечном счёте, весь наблюдаемый космос.
Новая работа показывает, что уже через мгновения после Большого взрыва во Вселенной могли появиться по-настоящему массивные объекты — первичные чёрные дыры, бозонные звёзды и так называемые звёзды-каннибалы. Авторы подчёркивают, что даже в этот бурный период космос не был однородным: в нём уже шли сложные физические процессы, создававшие плотные скопления вещества и необычные структуры.
Исследование выполнили специалисты из Международной школы высших исследований (SISSA) при участии Итальянского института ядерной физики (INFN), Института фундаментальной физики и Вселенной (IFPU) и Варшавского университета. Учёные стремились описать, как элементарные частицы могли взаимодействовать между собой в первые доли секунды существования космоса. Современные достижения в космологии и компьютерном моделировании позволили восстановить этот ранний этап с беспрецедентной точностью.
Один из основных выводов работы заключается в том, что в определённый краткий промежуток после Большого взрыва частицы вещества могли временно преобладать над излучением. Такая «эра материи» создала условия, при которых вещество стало собираться в гравитационные скопления — так называемые гало. Если эти частицы активно взаимодействовали, сгустки могли испытывать гравитационный коллапс с тепловыми эффектами — процесс, при котором плотные области уплотняются под действием собственного притяжения и образуют компактные тела. Так, по расчётам, могли возникнуть первые чёрные дыры и другие экзотические образования.
Одна из гипотез исследователей предполагает существование звёзд-каннибалов — теоретических объектов, похожих на обычные светила, но получающих энергию не за счёт термоядерных реакций, а благодаря взаимному уничтожению частиц. В их недрах энергия высвобождается при аннигиляции — столкновении материи и антиматерии, когда частицы исчезают, превращаясь в излучение. По расчётам авторов, подобные звёзды могли формироваться из плотных скоплений вещества в первые мгновения жизни Вселенной.
Другой сценарий связан с формированием бозонных звёзд — гипотетических объектов, состоящих не из атомов, а из бозонов, частиц с особыми квантовыми свойствами. Такие структуры могли возникать в областях с особенно высокой плотностью материи. Однако, как считают исследователи, большинство из них быстро коллапсировало, превращаясь в первичные чёрные дыры — PBH (от английского primordial black holes). В отдельных случаях такие дыры могли появляться напрямую, без промежуточной стадии звезды, если сжатие происходило внутри массивных гало.
Авторы полагают, что проверить эти гипотезы можно с помощью современных астрономических наблюдений. Следы звёзд-каннибалов и бозонных объектов могут проявляться в распределении тёмного вещества или в специфических гравитационных сигналах. Если подобные процессы действительно происходят где-то во Вселенной, они должны оставлять отпечатки в поведении окружающей материи и излучения.
И несмотря на теоретический характер некоторых предположений, подобные исследования помогают лучше понять, как из элементарных частиц сформировались первые астрофизические структуры. Изучение простых моделей вещества, его взаимодействий и процессов аккреции — накопления вещества под действием притяжения — позволяет приблизиться к пониманию того, как именно зарождались звёзды и чёрные дыры в молодом космосе.
На протяжении десятилетий исследователи пытаются восстановить картину первых секунд после Большого взрыва, когда температура превышала триллионы градусов, а пространство расширялось с немыслимой скоростью. Новая работа уточняет сценарий появления первичных чёрных дыр и показывает, насколько рано во Вселенной начались процессы, которые впоследствии определили её структуру. Первые мгновения существования космоса, судя по этим расчётам, оказались гораздо богаче событиями, чем предполагалось ранее — ведь уже тогда космос демонстрировал способность создавать сложность из хаоса.