CC BY
116
Математические структуры и моделирование 2000, вып. 6, с. 5-11
УДК 523.164
СКРЫТАЯ МАССА И ПОИСК ВНЕЗЕМНЫХ ЦИВИЛИЗАЦИЙ
И.С. Кардашев
It is proposed a two new directions of astrophysical investigations and search of extraterrestrial intelligence: mirror world and multiconnected Universe with wormholes.
1. Введение
Подходит к концу XX век. Поиск внеземных цивилизаций (ВЦ) пока не дал положительных результатов, а достижения астрономии близки к пониманию эволюции всех объектов Вселенной от момента большого взрыва до настоящего времени. В чем причина неудач поиска ВЦ? Мы уже обращали внимание на три наиболее важные проблемы (Kardashev, 1973 и 1975; Kardashev, 1997) [12,13].
Первая связана с «земным шовинизмом»: большая часть целенаправленных экспериментов предполагает поиски цивилизаций, подобных нашей в XX веке, но найти такую крайне маловероятно.
Вторая проблема - невозможность описания возникновения и эволюции цивилизаций на космологически значимых интервалах времени. В связи с этим мы предлагаем принять как аксиому: существует ненулевая вероятность возникновения жизни во Вселенной, и нет принципиальных причин, ограничивающих уровень ее развития.
Третья проблема - мы слишком переоцениваем наши знания о строении Вселенной, возможно бесконечной и в пространстве, и во времени, и в многообразии форм и законов. Достаточно напомнить, что современная астрономия изучает лишь менее 5% от средней плотности окружающей нас материи, а более 95% составляет скрытая масса, проявляющаяся только по ее гравитационному воздействию. Скрытая материя, возможно, составляет основную долю массы нашей и других галактик и доминирует в межгалактическом пространстве, а ее исследование является важнейшей нерешенной проблемой современной астрономии. Другая область исследований, еще более сложная, но, возможно, еще более важная в связи с поиском ВЦ: современная космология, в частности модели хаотически возникающих Мини-Вселенных в разных частях и в разное время, открывает возможность существования ВЦ сколь угодно высокого уровня развития. Есть ли возможность исследовать другие Мини-Вселенные?
В последующих разделах мы рассмотрим некоторые модели и новые данные внегалактической астрономии в связи с проблемой скрытой массы и су© 2000 Н.С. Кардашев
Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева (Москва)
Работа выполнена при поддержке Гранта РФФИ N 99-02-17799
6
II. С. Кардашев. Скрытая масса и поиск внеземных цивилизаций
щеетвованием топологически сложной Большой Вселенной (другие названия -multiverse, many-worlds, googolplexus),
2. ВЦ в зеркальном мире
Современная физика элементарных частиц принимает в качестве гипотетического фундамента симметрию между правым и левым (Exact Parity Model), Согласно ЕРМ, каждая частица имеет зеркальный аналог (Lee & Yang, 1956; Salam, 1957; Кобзарев и др.. 1966; Carlson & Glashow, 1987; Green at al,, 1989; Хлопов и др., 1991; Berezhiani et al, 1996; Khlopov, 1999) [2,3,9,14,15,22,29,35]. Наши частицы могут взаимодействовать с зеркальными, по-видимому, только гравитационно. Из этих частиц могут быть образованы зеркальные атомы, молекулы, звезды с планетами, галактики и их скопления и, в частности, внеземные цивилизации, В зеркальной Вселенной должен быть свой, невидимый для нас спектр электромагнитного излучения.
Предположим, что значительная часть скрытой массы является зеркальным веществом. Если принять, в соответствии с наблюдениями (Кардашев, 1997; Turner, 1999) [25,28], что в нашей Вселенной 70% от критической плотности составляет однородная среда (например вакуум), а 5% - нормальное наблюдаемое вещество, то зеркальное нормальное вещество может составлять от 5 до 25%, Нижняя граница соответствует модели, когда барионная асимметрия для нормальной и зеркальной материи одинакова и соответственно эволюция Вселенной идет одинаково. Верхняя граница плотности зеркальной материи предполагает существенно большую барионную асимметрию в зеркальном мире, В этом случае количество тяжелых элементов в зеркальном мире будет больше, а момент рекомбинации, образование астрономических объектов и возникновение цивилизаций могут произойти раньше, чем в нашем,
В работе Berezhiani et al, (1996) [2] рассмотрена космологическая модель, в которой нарушение электроелабой симметрии различно в нашем и зеркальном мире. Это приводит, наоборот, к отсутствию тяжелых элементов, звезд с активным термоядерным горением, но позволяет образовывать карликовые звезды и черные дыры вплоть до гигантских масс в центрах галактик.
Объекты из зеркальной материи могут или располагаться в отдельных районах пространства, или быть перемешаны с нормальной материей. Вопрос о пространственном разделении нашего и зеркального вещества подробно обсуждается в работе Khlopov (1999) [14], Обсуждалось существование зеркальных объектов внутри Земли, Солнца и в нашей Галактике, например в виде двойных звезд, из которых одна или обе зеркальные (Кобзарев и др,, 1966; Green и др,, 1989; Khlopov, 1999) [9,14,29].
Результаты по микролинзированию (MACHO) можно объяснить гравитационным линзированием отдельными зеркальными звездами (Foot, 1999; Moha-patra & Teplitz, 1999) [7,18], Гипотеза 4-го стерильного нейтрино может быть заменена гипотезой наличия зеркальных нейтрино (Silagadze, 1995; Foot & Volkas, 1995; Berezhiani & Mohapatra, 1995) [1,6,23],
Необходимо обратить внимание на обнаружение нового типа галактик с
Математические структуры и моделирование. 2000. Вып. 6.
7
очень большой долей скрытой массы (Meurer, 1996; Straessle et al,, 1999; Meurer et al,, 1999) [16,17,24], Близкая галактика NGC 2915 (расстояние 5 Мпе) имеет отношение массы к светимости 76, В центре галактики в оптическом диапазоне видна синяя компактная карликовая (BCD) галактика радиусом 3 кие. По наблюдениям в радиодиапазоне (Meurer, 1996) [16] в линии 21 ем диск и спиральные рукава из межзвездного водорода тянутся до радиуса 15 кие. Кривая вращения, построенная по наблюдениям, согласуется е наличием звездного диска и гало, но звезд не видно. Форма спиральных рукавов, масса и ширина похожи на спиральную галактику позднего типа е перемычкой. Темная материя имеет необычно высокую плотность и в ядре галактики, где звездная компонента видна. Подобные галактики - DD0154 (M/L = 74), DD170 (M/L = 57) и другие, В карликовой галактике NGC247 отношение M/L > 200, что является рекордом (Straessle et al,, 1999) [24],
Возможен ли обмен информацией между нашим и зеркальным миром? Если взаимодействие только гравитационное, то и обмен информацией может осуществляться е помощью переменной величины тяжести. Простейший обмен информацией возможен при воздействии гравитирующих зеркальных масс на наши гравиметры (и наоборот) е близких расстояний. Со сколь угодно далеких расстояний информация может быть передана и принята е помощью гравитационных волн. Первые гравитационно-волновые телескопы должны заработать в ближайшие годы. Еще одна возможность обмена информацией связана е тем, что обычная и зеркальная материя может образовывать черные дыры, которые для внешнего наблюдателя будут не отличимы друг от друга. Если зеркальная материя существует, то излучение Хокинга черными дырами (электромагнитное, гравитационное и частиц) удваивается (Сахаров, 1986) [34], т,е, должно быть выделение и нормального, и зеркального вещества. Если возможно управление излучением Хокинга (например, изменять массу черной дыры, меняя темп аккреции), то возможен обмен информацией и е помощью электромагнитного излучения. Однако пока само Хокинговекое излучение не обнаружено, и его детектирование является исключительно трудной задачей. Это излучение легче всего обнаружить в гамма-диапазоне, сели будут найдены первичные черные дыры минимальной массы (1015 г),
3. Вечная и бесконечная многоэлементная Вселенная с топологическими туннелями и ВЦ
Современные представления о Вселенной в целом базируются на инфляционных моделях, согласно которым мы живем в одном из расширяющихся пузырьков, образующихся в кипящем и бесконечно существующем вакууме (Линде, 1990) [31], К этим представлениям пришли, исходя из первоначального требования построить модель Вселенной бесконечной во времени и пространстве и неизменной в среднем по времени (Flamm, 1916; Einstein & Rosen, 1935; Wheeler, 1955; Сахаров, 1984; Линде, 1990) [4,5,26,31,33], Возможность экспериментальной проверки и исследования многоэлементной модели Вселенной целиком зависит от получения информации из ее различных областей. По-видимому, един-
8
II. С. Кардашев. Скрытая масса и поиск внеземных цивилизаций
етвенный способ реализации этого связан с существованием топологических туннелей (Fuller & Wheeler, 1962; Morris & Thorne, 1988; Wisser, 1996; Hochberg et ah, 1997) [8,10,20,27], Другие названия этих гипотетических объектов - мосты Эйнштейна-Розена, кротовые, или червячные норы (wormholes), горловины Шварцшильда, Туннели могут связывать как отдельные, сколь угодно отдаленные области пространства нашей Вселенной, так и области с различными моментами начала инфляции, В настоящее время продолжается дискуссия о реализуемости туннелей, об их проходимости и эволюции со временем (Morris & Thorne, 1988; Wisser, 1996; Hochberg et ah, 1997; Hochberg & Visser, 1998) [10, 11,20,27], о возможности создания на их основе машины времени (Morris et ah, 1988; Morris & Visser, 1988; Новиков, 1989; Novikov, 1992) [19-21,32],
Туннели являются топологическими структурами, возможно, сохранившимися с момента образования нашей Вселенной, и проявляются для внешнего наблюдателя гравитацией, подобно первичным черным дырам различной массы.
Последние модели указывают на стабильную конструкцию туннеля, если перемещение материи между двумя горловинами сохраняет направление (Hochberg & Visser, 1998) [11], Система из двух туннелей, обеспечивающая движение в прямом и обратном направлениях, для внешнего наблюдателя будет весьма сходной с двойной системой, состоящей из черной и белой дыры (Kardashev, 1973) [12], Через аналог черной дыры будет возможен проход из нашей Вселенной в другую ее часть или в другую Вселенную, Через аналог белой дыры будет доступ к нам.
Учитывая большую величину приливной силы для черных дыр при приближении к горизонту, можно сделать вывод, что для прохождения туннелей телами нашей Вселенной необходимы горловины с массами, порядка сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик. Действительно, GMdRr3 - приливное ускорение, М - гравитирующая масса, d - размер тела, приближающегося к этой массе на расстояние Е, Для d =180 см, Н ~ 1L = g\lc 2 и а < g, где g -ускорение силы тяжести на Земле, найдем М > 105Мо, Для передачи и приема информации, вероятно, можно использовать черные дыры много меньшей массы, вплоть до минимально возможных сохранившихся первичных черных дыр, равных 1015 г.
Двойная система, состоящая из одинаковых масс т, движущихся по круговой орбите около центра тяжести на расстоянии г друг от друга, теряет энергию на излучение гравитационных волн (Ландау, Лифшиц, 1960) [30],
a = г/(2Gme-2) — взаимное расстояние по отношению к гравитационному радиусу, р = 2-7ГГ1-5/(2Gm)0'5 — период обращения, t = 5Ghm4/(З2е3) — время полной потери энергии. Допустим, что горловина туннеля так же, как черные дыры, излучает благодаря процессу Хокинга, Тогда характерная температура излучения - Тн = he3/(8-7rkGm)
Для времени порядка возраста Вселенной t = 1,5 • Ю10 лет, как уже отмечалось, могли сохраниться только массы более 1015 г. Расстояние до ближайшей двойной системы - L ~ 1пе (2т/М0)1/<3, в предположении, что средняя плотность скрытого вещества обусловлена этими системами и порядка средней плот-
Математические структуры и моделирование. 2000. Вып. 6.
9
ности звезд около Солнца,
В таблице показаны основные параметры двойных систем (это могут быть и горловины туннелей, и первичные черные дыры) для минимальной массы (1015 г), для массы 5 • К)2"' г оптимальной для электромагнитного канала связи (Тн = 2.7К, т.е. температура реликтового фона) и массы 105Мо для путешествий.
III г a Р Тн L
ю15 5 • 1(Г3 см СО О О 2•10-7с 10 МэВ 0,2 а.е.
5•1025 г s•105 см 7- 107 1 с 2.7 К 700 а.е.
105Мо 100 а.е. 5- 104 2 года 0 50 пс
Наконец, очень интересно исследовать космологические модели нашей Вселенной при наличии туннелей. Если количество туннелей и эквивалентная масса их горловин неизменны, то на современном этапе они могут составлять какую-то часть скрытой массы, влияя на процесс расширения Вселенной как холодное, пылеподобное вещество. Однако можно предположить, что через туннели к нам и от нас перетекает вещество. Если перетекание происходит с постоянной скоростью, т.е, масса окрестностей горловины линейно растет со временем и перетекшее пылеподобное вещество преобладает в современной плотности нашей Вселенной, близкой к критической, то уравнение Фридмана для современного этапа и пространства с нулевой кривизной будет
ЗН2 о, /1 \
8^=ft(1 + Z4b) ,
где R = Rq/(1 + z), Н = R/R , / - красное смещение, R - масштабный фактор, Но - постоянная Хаббла, В результате найдем:
t = to/3Ho2/3(l + z)3/2,
где t0 = Hq1, р = po(l + z)2.
To есть эта модель совпадает по параметрам и зависимости от времени с моделью, соответствующей доминированию струн бесконечной длины и неплохо соответствует наблюдениям.
Модель, в которой доминирует положительный космологический Л — член, обусловленный туннелями, требует предположить экспоненциально растущее со временем (в сопутствующем расширению объеме) воспроизводство числа туннелей или массы их горловин, обусловленное Большой Вселенной,
4. Возможные направления исследований
Нам представляется весьма важным аксиоматически принимаемое предположение о существовании в Большой Вселенной цивилизаций любого уровня и любой длительности развития.
10
Н.С. Кардатев. Скрытая масса и поиск внеземных цивилизаций
В заключение необходимо отметить следующие направления дальнейших исследований скрытого вещества, связанные с достаточно обоснованными предположениями о существовании зеркального вещества, топологических пространственных туннелей и больших искусственных конструкций как возможных составляющих скрытой массы,
1, Развитие исследований планетных систем и поиск новых объектов в Галактике, с учетом возможности обнаружения гигантских искусственных конструкций как возможной доли скрытой массы,
2, Исследования с целью поиска объектов, состоящих, в основном, из зеркального вещества. Нужен тщательный анализ космологических моделей со значительной долей скрытой массы из такого вещества. Большой интерес представляет исследование галактик с аномально большим отношением массы к светимости, поиск зеркальных звезд и планет, анализ сигналов телескопов гравитационных волн как возможных передач ВЦ,
3, Развитие теории Вселенной со сложной топологией и туннелями,
4, Поиск и исследование первичных черных дыр и объектов типа пар черных и белых дыр с целью выявления топологических туннелей и аетроинже-нерных конструкций около них.
Литература
1. Berezhiani Z. and Mohapatra R.N. // Phvs. Rev. 1995. D52. 6607.
2. Berezhiani Z.G., Dolgov A.D. and Mohapatra R.N. // Phvs. Lett. 1996. B375. 26.
3. Carlson E. and Glashow S. // Phvs. Lett. 1987. 193, 168.
4. Einstein A. and Rosen N. // Phvs. Rev. 1935. 48, 73.
5. Flamm L. // Phvs. Z. 1916. 17, 48.
6. Foot R. and Volkas R.R. // Phvs. Rev. 1995. D52. 6595.
7. Foot R. // Astro-ph/9902065. 1999.
8. Fullerr R.W. and Wheeler J.A. // Phvs. Rev. 1962. 128, 919.
9. Green M., Schwarz J. and Witten E. Superstring Theories. Cambridge, 1989.
10. Hochberg D., Popov A., Sushkov S.V. // Phvs. Rev. Lett. 1997. 78, 2050.
11. Hochberg D. and Visser M. // Phvs. Rev. Lett. 1998. 81, 746.
12. Kardashev N.S. Communication with extraterrestrial Intelligence (CETI). / Sagan C. ed. MIT Press, 1973. P.192. На русском языке Проблема CETI. / Ред. С.А. Каплан. М.: Мир, 1975. С.166.
13. Kardashev N.S. // Aph. and Sp. Sc. 1997. 252, 25.
14. Khlopov M. Yu. // Cosmoparticle Physics, Springer (in press).
15. Lee T.D. and Yang C.N. // Phvs. Rev. 1956. 104, 254.
16. Meurer G. // Astron. J. 1996. III. 1551.
17. Meurer G.R. et al. // AAS. 1999. 194, 0501.
18. Mohapatra R.N. and Teplitz V.L. // Astro-ph/9902085. 1999.
19. Morris M.S., Thorne K.S., Yurtsever U. // Phvs. Rev. Lett. 1988. 61, 1446.
20. Morris M.S. and Thorne K.S. // Am. J. Phvs. 1988. 56, 395.
21. Novikov I.D. // Phvs. Rev. D. 1992. 45, 1989.
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
Математические структуры и моделирование. 2000. Вып. 6.
И
Salam А. // Nuovo Cimento. 1957. 5, 299.
Silagadze Z.K. // Hep-ph/9503481. 1995.
Straessle M. et al. // Astro-ph/9907140. 1999.
Turner M.S. // Astro-ph/990404051. 1999.
Wheeler J.A. // Phvs. Rev. 1955. 97, 511.
Wisser M. Lorentzion Wormholes. New York, Springer-Verlag, 1996.
Кардашев H.C. // Астр. ж. 1997. 74, 803.
Кобзарев И.Ю., Окунв Л.Б., Померанчук И.Я. // Ядерная физика. 1966. 3, 1154. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. М.: Наука, 1960. 370.
Линде А.Д. Физика элементарных частиц и космология. М.: Наука, 1990. Новиков И.Д. // ЖЭТФ. 1989. 68, 439.
Сахаров А.Д. // ЖЭТФ. 1984. 87, 375.
Сахаров А.Д. // Письма в ЖЭТФ. 1986. 44, 295.
Хлопов М.Ю. и др. // Астр. ж. 1991. 68, 42.
