Джерелом темної енергії можуть бути чорні діри

Спостереження за надмасивними чорними дірами в центрах галактик вказують на ймовірне джерело темної енергії — 70% Всесвіту, яких “не вистачає”.

Про це розповідають в Імперському коледжі Лондона, передають OstanniPodii.com.

Вимірювання, проведені в древніх і сплячих галактиках, показують, що чорні діри зростають більшими, ніж очікувалося, що відповідає явищу, передбаченому теорією гравітації Ейнштейна. Результат потенційно означає, що в нашу картину Всесвіту не потрібно додавати нічого нового, щоб пояснити темну енергію: чорні діри в поєднанні з гравітацією Ейнштейна є її джерелом.

Такого висновку дійшла група із 17 дослідників з дев'яти країн, очолювана Гавайським університетом, до якої увійшли фізики Імперського коледжу Лондона й космічного департаменту (RAL Space) Ради науково-технічних закладів (STFC).

Роботу опубліковано у двох статтях у журналах The Astrophysical Journal і The Astrophysical Journal Letters.

Співавтор дослідження доктор Дейв Клементс з кафедри фізики Імперського коледжу зазначив: “Це справді дивовижний результат. Ми почали з вивчення того, як чорні діри зростають з часом, і, можливо, знайшли відповідь на одну з найбільших проблем у космології”.

Співавтор дослідження доктор Кріс Пірсон зі STFC RAL Space підкреслив: “Якщо теорія підтвердиться, то це зробить революцію в усій космології, тому що нарешті ми отримали розв'язання проблеми походження темної енергії, яка спантеличувала космологів і фізиків-теоретиків понад 20 років”.

Гравітація проти темної енергії

У 1990-х роках було виявлено, що розширення Всесвіту прискорюється — все віддаляється від усього іншого дедалі швидше й швидше. Це важко пояснити — гравітаційне тяжіння між усіма об'єктами у Всесвіті мало б уповільнювати розширення.

Щоб пояснити це явище, було запропоновано припустити, що "темна енергія" відповідальна за розсування об'єктів сильніше, ніж гравітація. Це було пов'язано з концепцією, запропонованою Ейнштейном, але пізніше відкинутою, — "космологічною постійною", яка протистоїть гравітації й утримує Всесвіт від колапсу.

Цю концепцію було відроджено з відкриттям прискореного розширення Всесвіту, основним компонентом якого є вид енергії, включений до самого простору-часу, що називається енергією вакууму. Ця енергія все більше розштовхує Всесвіт, прискорюючи розширення.

Однак чорні діри являють собою проблему — їхній надзвичайно сильній гравітації важко протистояти, особливо в їхніх центрах, де все, здається, руйнується в явищі, що називається "сингулярністю".

Нові результати показують, що чорні діри набирають масу таким чином, що вони містять енергію вакууму, забезпечуючи джерело темної енергії та усуваючи необхідність утворення сингулярностей у їхньому центрі.

Страждання чорних дір при зростанні

Висновок було зроблено на основі вивчення дев'яти мільярдів років еволюції чорних дір. Чорні діри утворюються, коли масивні зорі підходять до кінця свого життя. Коли вони знаходяться в центрах галактик, їх називають надмасивними чорними дірами. Вони містять у порівняно невеликому просторі масу, що в мільйони й мільярди разів перевищує масу нашого Сонця, створюючи надзвичайно сильну гравітацію.

Чорні діри можуть збільшуватися в розмірах коштом приєднання матерії, наприклад, шляхом поглинання занадто близько розташованих зірок, або внаслідок злиття з іншими чорними дірами. Щоб з'ясувати, чи можуть тільки ці ефекти пояснити зростання надмасивних чорних дір, група дослідників вивчила дані за 9 мільярдів років.

Дослідники розглянули особливий тип галактик, званих гігантськими еліптичними галактиками, які розвивалися на ранніх етапах Всесвіту, а потім стали сплячими. Сплячі галактики закінчили формування зірок, залишивши мало матеріалу для акреції чорною дірою в їхньому центрі, що означає, що будь-яке подальше зростання не може бути пояснене цими звичайними астрофізичними процесами.

Порівняння спостережень за далекими галактиками (коли вони були молодими) та локальними еліптичними галактиками (старими й мертвими) показало, що їхнє зростання набагато більше, ніж передбачається акрецією або злиттям: сучасні чорні діри у 7-20 разів більші, ніж дев'ять мільярдів років тому.

Космологічний зв'язок

Подальші вимірювання зі спорідненими популяціями галактик у різні моменти еволюції Всесвіту показали добре узгодження між розміром Всесвіту й масою чорних дір. Це показує, що виміряна кількість темної енергії у Всесвіті може бути пояснена енергією вакууму чорних дір.

Це перший спостережний доказ того, що чорні діри дійсно містять енергію вакууму й що вони "пов'язані" з розширенням Всесвіту, збільшуючи свою масу в міру розширення Всесвіту — явище, що називається "космологічним зв'язком". Якщо подальші спостереження підтвердять це, космологічний зв'язок змінить наше розуміння того, що таке чорна діра.

Вимірювання сили зв'язку k шляхом порівняння мас чорних дір у 5 різних колекціях стародавніх еліптичних галактик з масами чорних дір в еліптичних галактиках сьогодні. Вимірювання згрупувалися навколо k = 3, що означає, що чорні діри містять енергію вакууму замість сингулярності. Credit: Farrah, et al. 2023 [the ApJ Letter]

Перший автор дослідження Дункан Фарра, астроном Гавайського університету й колишній аспірант Імперського коледжу, відмітив: “Насправді ми говоримо про дві речі одночасно: є свідчення того, що типові рішення для чорних дір не працюють для вас у дуже-дуже довгому часовому масштабі, і в нас є перше передбачуване астрофізичне джерело темної енергії”.

“Однак це означає не те, що інші люди не пропонували джерела темної енергії, а те, що це перша спостережна робота, в якій ми не додаємо нічого нового до Всесвіту як джерело темної енергії: чорні діри в теорії гравітації Ейнштейна є темною енергією”.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.