Новая модель предлагает происхождение темной энергии от черных дыр и может объяснить массу нейтрино

Физическая модель, основанная на черных дырах, преобразующих материю в темную энергию, предлагает решение проблем в нашем понимании Вселенной, включая массу призрачных частиц, называемых нейтрино.

Об этом рассказывают в Мичиганском университете, передают OstanniPodii.com.

Благодаря высокотехнологичным экспериментам и очень точным данным, сейчас настало увлекательное время для исследования крупнейших нерешенных вопросов физики. Особенно это касается темной энергии — так называют таинственную силу, ускоряющую расширение Вселенной.

В отчете, опубликованном в журнале Physical Review Letters, группа исследователей обнародовала новые данные, которые подтверждают, что влияние темной энергии на Вселенную, которое долгое время считалось постоянным, на самом деле меняется с течением космического времени. Они показывают, как эти данные можно расценивать как сигнал о превращении материи в темную энергию.

Новые открытия сделаны с помощью спектроскопического прибора для исследования темной энергии (DESI), установленного на 4-метровом телескопе Николаса У. Мейала в Национальной обсерватории Китт-Пик в южной Аризоне. Он заглядывает в глубокое прошлое Вселенной с помощью 5000 роботизированных глаз, каждый из которых каждые 15 минут фокусируется на другой галактике.

Работая почти каждую ночь, DESI уже составил карту миллионов галактик и других типов древних светящихся объектов, многие из которых существовали, когда Вселенная была меньше половины своего нынешнего размера.

В текущем исследовании ученые сосредоточились на интерпретации черных дыр как крошечных пузырьков темной энергии. Поскольку черные дыры образуются, когда массивные звезды исчерпывают свое ядерное топливо и коллапсируют, эта гипотеза космологически связанных черных дыр (CCBH) требует преобразования звездной материи в темную энергию.

Это удобно связывает скорость производства темной энергии и потребления материи с тем, что измеряется на протяжении десятилетий космическим телескопом «Габбл», а теперь и космическим телескопом «Джеймс Уэбб»: скоростью образования звезд.

«Эта статья [в журнале Physical Review Letters] впервые приспосабливает данные к конкретной физической модели, и это хорошо работает», — сказал член коллаборации DESI Грегори Тарле, почетный профессор физики Мичиганского университета и автор нового отчета.

Основное внимание в исследовании уделяется массе призрачных частиц, называемых нейтрино, вторых по распространенности частиц во Вселенной. Ученые знают, что эти частицы имеют массу, большую нуля, и поэтому способствуют балансу материи во Вселенной, но их точные значения еще не измерены.

Интерпретация новых данных DESI с помощью модели CCBH дает измерения, больше нуля, что согласуется с тем, что ученые уже знают об этих призрачных частицах, и является улучшением по сравнению с другими интерпретациями, которые отдают предпочтение нулевой или даже отрицательной массе.

«Это как минимум интригует», — говорит Тарле. «Я бы сказал, что «убедительное» было бы более точным словом, но мы стараемся не употреблять его в нашей области».

Экзорцизм для призрачных частиц

Гипотеза CCBH была выдвинута около пяти лет назад соавторами исследования Кевином Крокером, помощником научного сотрудника Аризонского государственного университета, и профессором Гавайского университета Дунканом Фаррахом. Математические описания черных дыр как крошечных капель темной энергии, а не как монстров, занимающихся «спагеттификацией» и обернутых слоем одностороннего движения, исследуются учеными уже более полувека.

Однако идея, что темная энергия внутри таких черных дыр может влиять на Вселенную в целом, была неортодоксальной. Тем не менее, с математической точки зрения она была достаточно логичной, чтобы привлечь внимание небольшой группы любознательных исследователей, которые начали изучать, насколько хорошо эта гипотеза объясняет наблюдения и космологические данные.

«Исторически сложилось так, что физика работает именно таким образом. Вы придумываете как можно больше идей и как можно быстрее их отбрасываете», — сказал исследователь DESI Стив Ален, почетный профессор физики Бостонского университета и один из первых участников разработки гипотезы CCBH.

«Вы не избегаете новых и необычных идей, а это именно то, что нам нужно в наше время, когда существует так много загадок».

Первые данные, подтверждающие гипотезу CCBH, были получены благодаря неожиданному росту сверхмассивных черных дыр в центрах неактивных эллиптических галактик по сравнению с ростом звездных популяций этих галактик. Но именно данные первого года работы DESI, которые показали, что плотность темной энергии соответствует скорости образования звезд, убедили Крокера и Фарраха объединить усилия с коллаборацией DESI.

«Работа с данными DESI за три года стала поворотным моментом», — сказал Крокер об исследовании. «У вас есть одни из самых умных и креативных исследователей в этой области, которые помогают вам своими руками и сердцами. Это абсолютная привилегия».

Кроме пакетов света, которые называются фотонами, нейтрино являются самыми распространенными частицами во Вселенной. За время, необходимое для прочтения этого предложения, через ваше тело пройдет сотни триллионов нейтрино. Но нейтрино редко взаимодействуют с окружающей средой, то есть они постоянно пролетают сквозь другую материю, оставаясь полностью невидимыми, поэтому их иногда называют «призрачными частицами».

Ученые знают, что нейтрино имеют массу, но точно определить ее величину сложно из-за их эфирной природы. В то время как на Земле проводятся масштабные эксперименты, направленные на то, чтобы точно определить эти цифры, ночное небо предлагает мощный и дополняющий способ найти ответы.

Галактические карты DESI содержат информацию о том, как быстро росла Вселенная в течение последних 10 миллиардов лет, что, в свою очередь, дает космический перечень вещества и темной энергии. Но материя бывает трех типов: холодная темная материя, барионы и нейтрино. Ранние измерения Вселенной с послесвечения Большого взрыва измеряют количество темной материи и барионов, существовавших давно. Но, согласно DESI, сегодня, по сравнению с давним прошлым, кажется, что материи стало меньше. Это оставляет мало места для нейтрино.

«Данные свидетельствуют о том, что масса нейтрино является отрицательной, что, конечно, физически невозможно», — сказал Роджер Виндхорст, профессор Школы исследования Земли и космоса Аризонского государственного университета и соавтор нового исследования.

Однако, если интерпретировать это с гипотезой CCBH, эта нефизическая проблема исчезает. Поскольку звезды состоят из барионов, а черные дыры превращают мертвую звездную материю в темную энергию, количество барионов сегодня уменьшилось по сравнению с измерениями Большого взрыва. Это позволяет нейтрино влиять на баланс материи так, как ожидается по другим измерениям.

«Оказывается, что распределение вероятности массы нейтрино указывает не только на положительное число, но и на число, которое полностью соответствует наземным экспериментам», — сказал Виндхорст. «Я считаю это очень интересным».

CCBH: больше выгоды за те же деньги

Хотя этот результат и является самым важным, работа также освещает другие полезные особенности модели CCBH.

«Гипотеза CCBH количественно связывает явления, которые изначально не кажутся связанными между собой», — сказала Фаррах. «Это сочетание больших и малых масштабов, что противоречит нашему привычному линейному интуитивному восприятию».

Материя замедляет рост Вселенной, тогда как темная энергия ускоряет его. Поскольку в гипотезе CCBH материя превращается в темную энергию, ускоренное расширение происходит раньше, поэтому сегодняшний темп расширения, скорость Хаббла, несколько больше. Это дополнительное ускорение приближает космологическое измерение скорости Хаббла к другим измерениям, таким как измерение удаленных взрывающихся звезд, называемых сверхновыми.

Гипотеза CCBH также объясняет наблюдаемое количество темной энергии: это не просто какое-то магическое число, установленное при рождении Вселенной. Темная энергия происходит от мертвых звезд, поэтому ее не существует, пока не появятся звезды, а звезды не образуются, пока Вселенная не станет достаточно большой и холодной. После образования звезд количество темной энергии напрямую зависит от количества образовавшихся звезд.

«Работа над этим проектом была одновременно сложной и невероятно интересной», — говорит соавтор исследования Густаво Низ, исследователь из Университета Гуанахуато, Мексика. «Это лишь еще одна веха в установлении CCBH как жизнеспособной теории. Требуется больше данных, тщательный анализ и более широкое изучение, чтобы определить, может ли она стать новой парадигмой для объяснения нашей Вселенной. Конечно, она также может быть отвергнута, когда появятся новые данные».

Крокер отметил, что гипотеза хорошо работает, когда смотреть на Вселенную в целом, «но данные из других экспериментов, изучающих отдельные черные дыры, не столь убедительны. Вот почему гипотеза является интересной. Многие различные наблюдатели могут ее проверить, обсудить в режиме реального времени».

По словам Стива Алена, так работает наука. Но для ученых, которые работают над DESI с самого начала, очень интересно видеть, что полученные данные дают возможность исследователям проверять новые и различные гипотезы.

• Черные дыры
• Темная энергия
• нейтрино