Ученые, использующие данные DESI, исследуют новаторскую теорию, связывающую черные дыры с ускоряющимся расширением Вселенной. Теория предполагает, что темная энергия, составляющая около 70 % Вселенной и стимулирующая ее расширение, может происходить из процессов, происходящих внутри черных дыр, что напоминает обратный Большой взрыв.
Исследование загадки темной энергии
Около 14 миллиардов лет назад, в начале Большого взрыва, таинственная энергия вызвала экспоненциальное расширение, в результате которого возникла вся известная материя. Это событие, описанное инфляционной теорией Вселенной, положило начало тому космосу, каким мы его знаем.
Эта древняя энергия имеет некоторые общие свойства с темной энергией, присутствующей в современной Вселенной, что является глубокой загадкой. Темная энергия составляет около 70 % Вселенной, однако ее природа остается для ученых загадкой.
Изображение JWST NIRCam звездообразующего протокластера PHz G191.24 sixty two.04, полученное eleven миллиардов лет назад, когда Вселенная приближалась к пику звездообразования. Эти ранние галактики относятся к числу наиболее активных звездообразующих галактик, наблюдавшихся в период с 10,5 до 11,5 миллиарда лет назад. Каждая галактика, показанная на этом снимке, порождает множество черных дыр, которые, согласно гипотезе космологической связи черных дыр, преобразуют материю в темную энергию. На этом изображении показаны два «модуля» JWST NIRCam: крайний левый модуль содержит протокластер, а крайний правый - соседнее пустое поле. В каждом модуле видны тысячи галактик. Credit: NASA, ESA, CSA, Maria Polletta (INAF), Hervé Dole (Paris), Brenda Frye (UofA), Jordan C. J. D'Silva (UWA), Anton M. Koekemoer (STScI), Jake Summers (ASU), Rogier Windhorst (ASU)
Обратная теория Большого взрыва
«Если задать себе вопрос: «Где в поздней Вселенной мы увидим такую же сильную гравитацию, как в начале Вселенной?», то ответ будет в центре черных дыр», - говорит Грегори Тарле, профессор физики из Мичиганского университета и соавтор исследования. «Возможно, то, что произошло во время инфляции, происходит в обратном порядке: материя массивной звезды снова становится темной энергией во время гравитационного коллапса - как маленький Большой взрыв в обратном направлении».
В недавнем исследовании, опубликованном в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, Тарле и его коллеги из пяти институтов представили новые доказательства этой идеи, собранные с помощью данных спектроскопического прибора Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI). DESI, состоящий из 5000 роботизированных глаз на телескопе Mayall в Национальной обсерватории Китт-Пик на территории племени Тохоно О'Одхам, предлагает новые взгляды на связь между черными дырами и темной энергией.
Черные дыры и космическое ускорение
«Если черные дыры содержат темную энергию, они могут соединяться с расширяющейся Вселенной и расти вместе с ней, вызывая ускорение ее роста», - говорит Кевин Крокер, ведущий автор нового исследования команды и помощник научного сотрудника Университета штата Аризона. «Мы не можем узнать подробности того, как это происходит, но мы видим свидетельства того, что это происходит».
Данные, полученные в первый год запланированного пятилетнего исследования DESI, свидетельствуют о том, что плотность темной энергии со временем увеличивается. По словам исследователей, это убедительная улика, подтверждающая идею о том, что такое темная энергия, поскольку это увеличение со временем согласуется с тем, как со временем увеличивается количество и масса черных дыр.
«Когда я только начал участвовать в проекте, я был настроен очень скептически», - говорит соавтор Стив Ален, заслуженный профессор физики Бостонского университета. Но на протяжении всего процесса я сохранял непредвзятость, и когда мы начали проводить космологические расчеты, я сказал: «Что ж, это действительно хороший механизм получения темной энергии»».
DESI был установлен на four-метровом телескопе Mayall в Национальной обсерватории Китт-Пик. Национальная обсерватория Китт-Пик (КНО) расположена в 56 милях к юго-западу от Тусона, штат Аризона, в округе Щук-Тоак на территории племени тохоно о'одхам. КНО находится в ведении Национальной исследовательской лаборатории оптико-инфракрасной астрономии (OIR Lab) NSF в Тусоне. Телескоп Майалла - это телескоп-рефлектор с four-метровым главным зеркалом, установленный на экваториальной монтировке. Это самый большой из 22 оптических телескопов, расположенных на пике Китт. Он был введен в эксплуатацию в 1973 году и практически идентичен four-метровому телескопу Бланко в Межамериканской обсерватории Серро-Тололо в Чили, который также находится в ведении Лаборатории OIR NSF и был введен в эксплуатацию в 1976 году. Credit: DESI Collaboration
Анализ галактических данных
Для поиска доказательств наличия темной энергии у черных дыр команда использовала десятки миллионов далеких галактик, измеренных прибором DESI. Прибор заглядывает на миллиарды лет в прошлое и собирает данные, которые можно использовать для определения скорости расширения Вселенной с высокой точностью. В свою очередь, на основе этих данных можно сделать вывод о том, как меняется количество темной энергии во времени.
Команда сравнила эти данные с тем, сколько черных дыр образовывалось при гибели крупных звезд за всю историю существования Вселенной.
«Эти два явления совпали - по мере образования новых черных дыр при гибели массивных звезд количество темной энергии во Вселенной увеличивалось правильным образом», - говорит Дункан Фарра, доцент кафедры физики Гавайского университета и соавтор исследования. «Это делает более правдоподобным предположение о том, что черные дыры являются источником темной энергии».
Дальнейшие исследования темной энергии
Это исследование дополняет растущий массив литературы, изучающей возможность космологической связи в черных дырах. В исследовании 2023 года, в котором участвовали многие авторы этой работы, сообщалось о космологической связи в сверхмассивных черных дырах в галактических центрах. Этот доклад 2023 года подтолкнул другие команды к поиску эффекта в черных дырах во всех различных местах Вселенной, где они могут быть обнаружены.
«В этих работах исследуется связь между темной энергией и черными дырами по скорости их роста. Наша новая работа связывает черные дыры с темной энергией по времени их рождения», - говорит Брайан Картрайт, астрофизик, соавтор работы и бывший главный юрисконсульт Комиссии по ценным бумагам и биржам США.
Эволюция изучения черных дыр
Ключевым отличием новой работы является то, что большинство соответствующих черных дыр моложе тех, что изучались ранее. Эти черные дыры родились в эпоху, когда формирование звезд, которое отслеживает образование черных дыр, уже шло, а не только начиналось.
«Это происходит гораздо позже во Вселенной и подтверждается недавними измерениями образования и роста черных дыр, которые наблюдались с помощью космических телескопов Хаббл и Уэбб», - говорит соавтор исследования Рогир Виндхорст, междисциплинарный научный сотрудник JWST и профессор по изучению Земли и космоса в Университете штата Аризона.
Следующий вопрос - где находятся эти черные дыры и как они перемещались в течение последних 8 миллиардов лет». Ученые работают над тем, чтобы определить это прямо сейчас», - говорит Кроукер.
Перспективы исследований темной энергии
Наука требует новых путей для исследований и наблюдений, и теперь, когда DESI работает в режиме онлайн, исследования темной энергии только начинаются.
«Это только углубит и прояснит наше понимание темной энергии, независимо от того, будет ли оно поддерживать гипотезу о черной дыре или нет», - сказал Ален. «Я думаю, что в качестве экспериментальной работы это замечательно. Вы можете иметь предвзятое мнение или нет, но мы руководствуемся данными и наблюдениями».
Независимо от того, что принесут эти наблюдения в будущем, работа, которая ведется сейчас, представляет собой изменение в исследовании темной энергии, говорит команда.
«По сути, вопрос о том, являются ли черные дыры темной энергией, связанной со Вселенной, которую они населяют, перестал быть просто теоретическим вопросом», - сказал Тарле. «Теперь это экспериментальный вопрос».