Первые доказательства того, что черные дыры могут быть источником темной энергии

Группа исследователей впервые нашла доказательства того, что сверхмассивные черные дыры могут являться источником темной энергии, способствующей ускорению космического расширения. Начав с космологической эволюции черных дыр в центре древних спящих галактик, исследователи обнаружили, что быстрый рост этих объектов не может быть объяснен известными явлениями. Этот чрезмерный рост, похоже, идет рука об руку с ускоряющимся расширением Вселенной, что делает сверхмассивные черные дыры лучшими кандидатами на снабжение космоса энергией.

Международная группа исследователей под руководством Гавайского университета, включая физиков из Имперского колледжа Лондона и STFC RAL Space, впервые обнаружила наблюдательные доказательства возможного источника темной энергии во Вселенной — сверхмассивные черные дыры.

Темная энергия — это так называемая «энергия вакуума», которая пронизывает пространство-время вместе с гравитацией и приводит в движение ускоренное расширение Вселенной. Она составляет около 70 процентов всей Вселенной.

Начиная с наблюдений сверхмассивных черных дыр в центре древних, спящих галактик, исследователи изучали, как эти небесные монстры растут и эволюционируют на протяжении миллиардов лет. Сравнивая свои результаты с данными о сверхмассивных черных дырах в более молодых галактиках, они обнаружили, что современные черные дыры в 7-20 раз больше, чем девять миллиардов лет назад. Скорость роста, которую невозможно объяснить.

В 1990-х годах было обнаружено, что расширение Вселенной ускоряется: все вокруг удаляется от всего окружающего со все большей скоростью. Это наблюдение показалось ученым нелогичным: притяжение, возникающее под действием гравитации между всеми объектами с массой, должно замедлять расширение, а не ускорять его.

Чтобы объяснить увиденное, исследователи предположили, что существует некая «энергия вакуума», неизвестного происхождения, но включенная в само пространство-время, которая притягивает объекты друг к другу с большей силой, чем гравитация сближает их. Эта энергия была названа темной, поскольку она неизвестна.

Концепция темной энергии была предложена не случайно. На самом деле она была связана с аналогичной концепцией, ранее предложенной Эйнштейном, но позже отброшенной, относительно уравнений пространственного времени Эйнштейна: космологической постоянной. В идеале она представляла собой «нечто», что противостояло бы гравитации, предотвращая коллапс Вселенной.

К сожалению, черные дыры создали проблему для этого определения. Их гравитация, на самом деле, чрезвычайно сильна, и поэтому ей трудно противостоять. Особенно в центре, где все как бы «разрывается» в то, что математически называется сингулярностью.

Новый результат исследователей показывает, что черные дыры набирают массу в соответствии с содержанием энергии в их вакууме. Они делают это, обеспечивая источник темной энергии, что устраняет необходимость образования сингулярностей в их центре.

Чрезмерный (и необъяснимый) рост черной дыры

К такому выводу исследователи пришли, изучив девять миллиардов лет эволюции сверхмассивной черной дыры. Этот тип черной дыры содержит массу в миллионы или миллиарды раз больше массы нашего Солнца в относительно небольшом пространстве, что создает чрезвычайно сильную гравитацию вокруг объекта.

Существует два способа, с помощью которых черные дыры могут увеличиваться в размерах:

• Путем аккреции за счет окружающего материала (например, приближающихся звезд, которые поглощаются черной дырой).
• За счет слияния с другими черными дырами.

Чтобы выяснить, могут ли только эти эффекты объяснить огромный рост сверхмассивных черных дыр, команда изучила эволюционные данные. Она сосредоточилась на конкретном типе галактик — гигантских эллиптических, которые развивались в начале Вселенной, а затем стали спящими.

Существует множество примеров спящих галактик: они закончили формирование звезд, оставив мало материала для аккреции черной дыры в своем центре, а это означает, что любой дальнейший рост не может быть объяснен этими обычными астрофизическими процессами.

Сравнивая наблюдения далеких галактик, которые кажутся нам такими, какими они были в молодости, с наблюдениями местных эллиптических галактик, старых и мертвых, исследователи зафиксировали гораздо больший рост, чем можно было бы ожидать от аккреции или слияния.

Доказательство того, что черные дыры содержат темную энергию

Поскольку типичных решений для роста черных дыр недостаточно для объяснения результатов наблюдений, исследователи провели дальнейшие измерения других галактик в разные моменты эволюции Вселенной.

При этом они нашли доказательства своего предсказания, что черные дыры могут увеличиваться в массе пропорционально тому, насколько быстро ускоряется расширение Вселенной. Результаты подразумевают, что черные дыры вносят космологический вклад в виде энергии вакуума.

Это первое наблюдательное доказательство того, что черные дыры действительно содержат энергию вакуума и что они «связаны» с расширением Вселенной. Их масса увеличивается по мере расширения Вселенной, и это явление называется космологической связью.

Если дальнейшие наблюдения подтвердят это, космологическая связь изменит наше понимание того, что такое черная дыра. И не только это: это произведет революцию во всей космологии, потому что мы, наконец, сможем получить решение о происхождении темной энергии, что десятилетиями занимало физиков-теоретиков и космологов.

Исследование было опубликовано в двух разных статьях, одна в журнале The Astrophysical Journal, а другая в журнале The Astrophysical Journal Letters.