科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)黑洞是暗能量來(lái)源的證據(jù)
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NGC524: NGC 524是雙魚(yú)座的一個(gè)透鏡狀星系。它距離地球大約9000萬(wàn)光年。家首Credit: ESA/Hubble
（神秘的現(xiàn)黑地球uux.cn）據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)（by RAL Space）：對(duì)星系中心超大質(zhì)量黑洞的觀察指出了一個(gè)可能的暗能量來(lái)源——宇宙中“失蹤”的70%。
對(duì)古老和休眠星系的洞暗測(cè)量顯示，黑洞比預(yù)期增長(zhǎng)得更快，證據(jù)這與愛(ài)因斯坦引力理論中預(yù)測(cè)的科學(xué)現(xiàn)象一致。這一結(jié)果可能意味著我們的家首宇宙圖景中不需要添加任何新的東西來(lái)解釋暗能量:黑洞和愛(ài)因斯坦引力是暗能量的來(lái)源。
這一結(jié)論是現(xiàn)黑由來(lái)自9個(gè)國(guó)家的17名研究人員組成的團(tuán)隊(duì)得出的，該團(tuán)隊(duì)由夏威夷大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)，洞暗成員包括倫敦帝國(guó)理工學(xué)院和STFC·RAL空間物理學(xué)家。證據(jù)這項(xiàng)工作發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》和《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》的科學(xué)兩篇論文中。
該研究的家首合著者，來(lái)自帝國(guó)理工大學(xué)物理系的現(xiàn)黑戴夫·克萊門(mén)茨博士說(shuō):“這真是一個(gè)令人驚訝的結(jié)果。我們開(kāi)始研究黑洞如何隨時(shí)間增長(zhǎng)，洞暗可能已經(jīng)找到了宇宙學(xué)中最大問(wèn)題之一的證據(jù)答案。”
來(lái)自STFC RAL空間的研究合著者克里斯·皮爾森博士說(shuō):“如果理論成立，那么這將徹底改變整個(gè)宇宙學(xué)，因?yàn)槲覀兘K于找到了困擾宇宙學(xué)家和理論物理學(xué)家20多年的暗能量起源的解決方案。”
重力對(duì)暗能量
在20世紀(jì)90年代，人們發(fā)現(xiàn)宇宙的膨脹正在加速——一切都在以越來(lái)越快的速度遠(yuǎn)離其他一切。這很難解釋——宇宙中所有物體之間的引力應(yīng)該會(huì)減緩膨脹。
為了解釋這一點(diǎn)，有人提出“暗能量”比重力更能推動(dòng)物體分離。這與愛(ài)因斯坦提出但后來(lái)放棄的一個(gè)概念有關(guān)——一個(gè)“宇宙常數(shù)”,它對(duì)抗重力，使宇宙免于崩潰。
隨著宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)，這個(gè)概念又復(fù)活了，其主要成分是時(shí)空本身所包含的一種能量，稱為真空能。這種能量推動(dòng)宇宙進(jìn)一步分離，加速膨脹。
然而，黑洞提出了一個(gè)問(wèn)題——它們極其強(qiáng)大的引力很難反對(duì)，特別是在它們的中心，在那里一切似乎都在一種被稱為“奇點(diǎn)”的現(xiàn)象中崩潰
新的結(jié)果表明，黑洞獲得質(zhì)量的方式與它們包含真空能量的方式一致，提供了暗能量的來(lái)源，并消除了在其中心形成奇點(diǎn)的需要。
黑洞成長(zhǎng)的煩惱
這個(gè)結(jié)論是通過(guò)研究90億年的黑洞演化得出的。黑洞是在大質(zhì)量恒星走到生命盡頭時(shí)形成的。當(dāng)在星系中心發(fā)現(xiàn)時(shí)，它們被稱為超大質(zhì)量黑洞。它們?cè)谝粋€(gè)相對(duì)較小的空間內(nèi)包含了數(shù)百萬(wàn)到數(shù)十億倍于我們太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)，產(chǎn)生了極強(qiáng)的引力。
黑洞可以通過(guò)吸積物質(zhì)來(lái)增加大小，例如通過(guò)吞噬靠得太近的恒星，或者通過(guò)與其他黑洞合并。為了發(fā)現(xiàn)這些效應(yīng)是否可以單獨(dú)解釋超大質(zhì)量黑洞的增長(zhǎng)，該團(tuán)隊(duì)查看了跨越90億年的數(shù)據(jù)。
NGC 1316(也被稱為天爐座A)是一個(gè)透鏡星系，位于天爐座，距離我們大約6000萬(wàn)光年。Credit: NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
研究人員觀察了一種特殊類(lèi)型的星系，稱為巨型橢圓星系，它在宇宙早期演化，然后進(jìn)入休眠狀態(tài)。休眠星系已經(jīng)完成了恒星的形成，為中心的黑洞吸積留下了很少的物質(zhì)，這意味著任何進(jìn)一步的增長(zhǎng)都無(wú)法用這些正常的天體物理過(guò)程來(lái)解釋。
對(duì)遙遠(yuǎn)星系(年輕時(shí))和本地橢圓星系(年老和死亡)的觀察比較顯示，增長(zhǎng)比吸積或合并預(yù)測(cè)的要大得多:今天的黑洞比90億年前大7-20倍。
通過(guò)比較古代橢圓星系的5個(gè)不同集合中的黑洞和今天橢圓星系中的黑洞來(lái)測(cè)量耦合強(qiáng)度k。測(cè)量值聚集在k = 3附近，這意味著黑洞包含真空能量，而不是奇點(diǎn)。Credit: Farrah, et al. 2023 [the ApJ Letter]
宇宙耦合
在宇宙演化的不同階段，對(duì)相關(guān)星系群體的進(jìn)一步測(cè)量顯示，宇宙的大小和黑洞的質(zhì)量之間有很好的一致性。這些表明宇宙中暗能量的測(cè)量值可以用黑洞真空能量來(lái)解釋。
這是第一個(gè)觀測(cè)證據(jù)，表明黑洞實(shí)際上包含真空能量，并且它們與宇宙的膨脹“耦合”，隨著宇宙的膨脹質(zhì)量增加——這種現(xiàn)象被稱為“宇宙耦合”如果進(jìn)一步的觀測(cè)證實(shí)了這一點(diǎn)，宇宙耦合將重新定義我們對(duì)黑洞的理解。
這項(xiàng)研究的第一作者、夏威夷大學(xué)天文學(xué)家、前帝國(guó)理工學(xué)院博士生鄧肯·法拉說(shuō):“我們實(shí)際上是在同時(shí)說(shuō)兩件事:有證據(jù)表明，典型的黑洞解決方案在很長(zhǎng)很長(zhǎng)的時(shí)間尺度內(nèi)對(duì)你不起作用，我們有了第一個(gè)提出的暗能量的天體物理來(lái)源。”
“然而，這意味著，其他人并沒(méi)有提出暗能量的來(lái)源，但這是第一篇我們沒(méi)有向宇宙添加任何新東西作為暗能量來(lái)源的觀察論文:愛(ài)因斯坦引力理論中的黑洞是暗能量。”