Наблюдения за сверхмассивными черными дырами в центрах галактик предполагают, что они могут быть источником темной энергии. Если анализы подтвердятся, ученые, наконец, решат одну из величайших загадок космологии.
Измерения древних эллиптических галактик показали, что черные дыры растут быстрее, чем должны. Это побудило исследователей искать причины такого положения дел. Их результаты предполагают, что сверхмассивные черные дыры могут быть источником темной энергии, управляющей ускоряющимся расширением Вселенной.
Всего в исследовании приняли участие 17 ученых из девяти стран. - Это действительно удивительный результат. «Мы начали с изучения того, как со временем растут черные дыры, и, возможно, нашли ответ на одну из самых больших проблем космологии», — говорит соавтор исследования доктор Дэйв Клементс.
- Если наша теория подтвердится, она произведет революцию во всей космологии. Наконец-то мы нашли решение проблемы происхождения темной энергии. Это проблема, которая ставит в тупик космологов и физиков-теоретиков уже более 20 лет, добавляет другой соавтор исследования, доктор Крис Пирсон.
Две статьи с описанием наблюдений были опубликованы в The Astrophysical Journal ( DOI: 10.3847/1538-4357/acac2e ) и The Astrophysical Journal Letters ( DOI: 10.3847/2041-8213/acb704 ).
Гравитация против темной энергии
В 1990-х годах ученые обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Все вещества удаляются друг от друга со все возрастающей скоростью. Это явление трудно объяснить, потому что гравитационное притяжение между всеми объектами во Вселенной должно замедлять расширение.
Исследователи считают, что расширение связано с темной энергией — гипотетической формой энергии, на долю которой может приходиться до 70 процентов. полная энергия Вселенной. Мы не можем обнаружить его напрямую. Мы делаем вывод о его существовании из наблюдений за ускоряющимся расширением Вселенной. Что-то заставляет Вселенную расширяться все быстрее и быстрее, и мы не можем это объяснить.
Чтобы обнаружить темную энергию, ученые обычно ищут ее гравитационные взаимодействия с окружающей средой. Речь идет о том, как она притягивает объекты, или на самом деле не притягивает, а отталкивает, потому что в самых больших масштабах гравитационный эффект темной энергии будет отталкивать объекты друг от друга, что ускоряет расширение Вселенной.
Темная энергия как сила, ответственная за ускорение расширения Вселенной, была даже включена Альбертом Эйнштейном в его уравнения, хотя позже она была им отвергнута. Речь шла о так называемом «космологическая постоянная», которая бросала вызов гравитации и удерживала вселенную от коллапса.
Однако проблема темной энергии заключалась в черных дырах. Их чрезвычайно сильную гравитацию трудно преодолеть, особенно в их центрах. Поэтому было разработано множество альтернативных концепций черных дыр. Наиболее распространенным является то, что эти объекты по своей природе невидимы, если только они не являются частью двойной звездной системы или не окружены аккреционным диском. Однако за исключением тех случаев, когда черные дыры поглощают материю, их трудно наблюдать, потому что черные дыры настолько массивны, что даже свет не может сопротивляться их гравитационной хватке. Астрономы делают вывод об их присутствии на основании гравитационных эффектов, оказываемых на окружающую среду, то есть поведения звезд и материи в непосредственной близости от них.
Однако новое исследование предполагает, что черные дыры могут не иметь горизонта событий или сингулярности, а вместо этого быть заполнены типом энергии, содержащейся в самом пространстве-времени, называемой энергией вакуума. Эта энергия раздвигает объекты, ускоряя расширение.
Рост черных дыр
Ученые разработали новую концепцию, изучив девять миллиардов лет эволюции черной дыры. Эти объекты образуются, когда массивные звезды коллапсируют из-за собственной массы к концу своей жизни. Они могут иметь массу, в миллионы и даже миллиарды раз превышающую массу нашего Солнца, сосредоточенную в относительно небольшом пространстве. Это создает чрезвычайно сильную гравитацию.
Черные дыры могут увеличиваться в размерах, аккрецируя материю, например, «проглатывая» близлежащие звезды или сливаясь с другими черными дырами. Чтобы выяснить, могут ли одни только эти эффекты объяснить рост сверхмассивных черных дыр, команда изучила данные за девять миллиардов лет.
Исследователи сосредоточились на особом типе галактик, называемых эллиптическими галактиками, которые возникли в начале формирования Вселенной и сейчас бездействуют. Это означает, что галактики уже завершили звездообразование, оставив мало материала для аккреции черными дырами в их центрах. Таким образом, продолжающийся рост черных дыр нельзя объяснить скоплением поблизости материи.
Сравнение наблюдений этих далеких галактик с более близкими показало увеличение количества черных дыр, которое было намного больше, чем можно было бы объяснить аккрецией близлежащего материала. Черные дыры были в 7-20 раз больше, чем их аналоги девять миллиардов лет назад.
Однако если бы черные дыры содержали энергию вакуума, связанную с расширением Вселенной, они бы росли быстрее, считают исследователи.
Они подсчитали, что если сверхмассивные черные дыры в центрах галактик производят темную энергию, это объясняет большую часть того, что, как мы верим, существует. Звездные черные дыры в галактических дисках и, возможно, гало могут объяснить все остальное.
Космологическое взаимодействие
Дальнейшие измерения других галактик, находящихся на разных этапах своей эволюции, показали связь между размером Вселенной и массой черных дыр. Они показывают, что измеренное количество темной энергии во Вселенной можно объяснить энергией вакуума, исходящей от черной дыры.
Авторы исследования считают, что это первое наблюдательное свидетельство того, что черные дыры действительно содержат энергию вакуума и что они «связаны» с расширением Вселенной, тем самым увеличивая свою массу. Если дальнейшие наблюдения подтвердят отчет ученых, это может изменить наше понимание того, что такое черная дыра.
- Есть свидетельства того, что типичные теории черных дыр не работают в длительных масштабах времени. У нас также есть, возможно, первый астрофизический источник темной энергии, говорит ведущий автор Дункан Фарра из Гавайского университета. - Это первая наблюдательная работа, в которой мы не добавляем ничего нового во Вселенную как источник темной энергии: черные дыры в теории гравитации Эйнштейна являются излучателями темной энергии, - поясняет ученый.
