Първите доказателства, че черните дупки са източник на тъмната енергия

Наблюденията на свръхмасивни черни дупки в центровете на галактиките разкриват вероятен източник на тъмна енергия - "липсващите" 70% от Вселената.

Измерванията от древни и спящи галактики показват, че черните дупки нарастват повече от очакваното, което съответства на явление, предсказано в теорията на Айнщайн за гравитацията. Резултатът потенциално означава, че не е необходимо да се добавя нищо ново към картината на Вселената, за да се обясни тъмната енергия: черните дупки в комбинация с гравитацията на Айнщайн са източникът.

Заключението е направено от екип от 17 изследователи от девет държави, ръководен от Хавайския университет и включващ физици от Имперския колеж в Лондон и лабораторията "Ръдърфорд Епълтън" в Харуел, Великобритания (STFC RAL Space).

Работата е публикувана в две статии в списанията The Astrophysical Journal и The Astrophysical Journal Letters.

"Това е наистина изненадващ резултат. Започнахме да разглеждаме как черните дупки растат с течение на времето и може би сме намерили отговора на един от най-големите проблеми в космологията", заявява съавторът на изследването д-р Дейв Клемънс (Dave Clements) от катедрата по физика в Имперския колеж в Лондон.

Съавторът на изследването д-р Крис Пиърсън (Chris Pearson), от лабораторията "Ръдърфорд Епълтън" в Харуел, Великобритания, отбелязва:

"Ако теорията се потвърди, това ще доведе до революция в цялата космология, защото най-накрая имаме решение за произхода на тъмната енергия, която озадачава космолозите и физиците теоретици повече от 20 години."

^{Видео с обяснението на д-р Крис Пиърсън от RAL Space. Кредит: STFC RAL Space}

Гравитацията срещу тъмната енергия

През 90-те години на миналия век беше открито, че разширяването на Вселената се ускорява - всичко се отдалечава от всичко останало с все по-бързи темпове. Това е трудно обяснимо - гравитационното привличане между всички обекти във Вселената би трябвало да забавя разширяването.

За да се обясни това, се предлага хипотезата, че "тъмна енергия" е отговорна за раздалечаването на обектите, което е по-силно от гравитацията. Тя е свързано с една концепция, предложена от Айнщайн, но по-късно  отхвърлена от него - "космологичната константа", която се противопоставя на гравитацията и предпазва Вселената от колапс.

Тази концепция е възстановена с откриването на ускоряващото се разширяване на Вселената, като основният ѝ компонент е вид енергия, включена в самото пространство-време, наречена енергия на вакуума - вид фонова енергия, която съществува навсякъде в пространството и може да се разглежда и като виртуални частици (вакуумни флуктуации), които се създават и унищожават извън вакуума - на двойки квантови частица- античастица. Тази енергия раздува Вселената още повече, ускорявайки разширяването.

Черните дупки обаче създават проблем - на тяхната изключително силна гравитация е трудно да се противостои, особено в центровете им, където всичко сякаш се разпада във феномен, наречен "сингулярност".

Новият резултат показва, че черните дупки набират маса по начин, който съответства на това, че съдържат енергия на вакуума, което осигурява източник на тъмна енергия и премахва необходимостта от образуване на сингулярности в центъра им.

NGC524: NGC 524 е лещовидна галактика в съзвездието Риби. Тя се намира на разстояние около 90 милиона светлинни години от Земята. Кредит: ESA/Hubble	NGC 1316 (Fornax А) е лещовидна галактика на около 60 милиона светлинни години в съзвездието Пещ (Fornax). Кредит: NASA, ESA и The Hubble Heritage Team

Растежът на черните дупки

Заключението е направено чрез изследване на девет милиарда години еволюция на черните дупки. Черните дупки се образуват, когато масивните звезди достигнат края на своя живот. Когато се намират в центровете на галактиките, се наричат свръхмасивни черни дупки. Те съдържат в себе си милиони до милиарди пъти масата на нашето Слънце в сравнително малко пространство, като създават изключително силна гравитация.

Крис Пиърсън и колегите му сравняват две групи галактики с черни дупки в центъра: млада, отдалечена група и по-близка, по-стара група, която е спряла да расте. Те изчисляват скоростта на растеж на галактиките и установяват, че масата им е нараснала от 7 до 20 пъти, което не може да се обясни с обичайните сливания или поглъщане на звезден материал.

_{Измерване на силата на свързване k чрез сравняване на масите на черните дупки в 5 различни колекции от древни елиптични галактики с черните дупки в днешните елиптични галактики. Измерванията се групират около k = 3, което предполага, че черните дупки съдържат вакуумна енергия, вместо сингулярност. Кредит: Farrah, et al. 2023 [the ApJ Letter]}

Моделът, който Пиърсън и екипът му използват, включва интерпретация на Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн, според която черните дупки съдържат енергия на вакуума. "Когато пресметнахме, установихме, че тези черни дупки всъщност биха могли да обяснят цялата необходима за балансирането на Вселената тъмна енергия", подчертава Пиърсън.

Космологична връзка

Допълнителни измервания със сродни популации от галактики в различни моменти от еволюцията на Вселената показват добро съответствие между размера на Вселената и масата на черните дупки. Те показват, че измереното количество тъмна енергия във Вселената може да се обясни с вакуумната енергия на черните дупки.

Това е първото наблюдателно доказателство, че черните дупки действително съдържат вакуумна енергия и че те са "свързани" с разширяването на Вселената, като увеличават масата си с разширяването на Вселената - явление, наречено "космологична връзка". Ако по-нататъшните наблюдения го потвърдят, космологичната връзка ще преосмисли разбирането ни за това какво е черна дупка.

Черните дупки с ядра от тъмна енергия избягват нуждата от сингулярност

Ако черните дупки наистина са източникът на тъмната енергия на Вселената и нейното разширяване, това би решило и друга нерешена космическа загадка: какво се случва в центъра на черните дупки, т.нар. сингулярности, където законите на физиката се нарушават.

Черните дупки с ядра от тъмна енергия избягват нуждата от сингулярности, но няма лесен начин да се провери това.

"Досега това бяха само теории. Сега имаме доказателства от наблюденията, които подкрепят наличието на черни дупки с ядра от тъмна енергия", добавя Пиърсън.

Изследователите екстраполират от наблюдаваната от тях извадка на растежа на галактиките, използвайки приблизителните темпове на образуване на звезди, за да изчислят колко тъмна енергия би била произведена в мащаба на цялата Вселена. Те откриват, че тя би обяснила ускоряващото се разширяване на Вселената.

Това обаче може да се окаже невярно

Това обаче може да се окаже невярно, ако нашите оценки за скоростта на звездообразуване са погрешни. Освен това изследователите са оценили скоростта на растеж на черните дупки, като са сравнили много отдалечени, млади галактики с по-близки, стари галактики и са предположили, че така еволюират галактиките - но е възможно те да не нарастват по този начин.

Обяснението може да бъде подкрепено с повече наблюдения на галактики, посочва Пиърсън, или чрез разглеждане на признаци в космическия микровълнов фон (CMB) - облак от радиация, създаден малко след първото формиране на Вселената. Ако идеята им е вярна, черните дупки биха повлияли на разширяването на Вселената и на CMB по различен начин, който би могъл да бъде открит. Повече доказателства могат да бъдат получени от измерването на скоростта на сливане на черните дупки, което също би било повлияно от тяхната тъмна енергия.

Това е солидно и разумно обяснение на наблюденията, коментира Анди Тейлър (Andy Taylor) от Единбургския университет, Великобритания, но интерпретацията на теорията на относителността на Айнщайн, която тя използва за обяснение на растежа на черните дупки, не е достатъчно задълбочено проучена.

"Това е хубава дискусия, но трябва да сме предпазливи, защото тя не е изградена върху утвърдени теоретични принципи, а върху по-спекулативни модели."

Необходимо е да се съберат повече наблюдателни данни, преди да можем окончателно да кажем, че черните дупки са източникът на тъмната енергия, убеден е Тейлър.

Сабине Хосенфелдер (Sabine Hossenfelder) - немски физик-теоретик, работила във Франкфуртския институт за напреднали изследвания, сега научен комуникатор - е много по-безмилостна в туитър в оценката си за това изследване: "Мисля, че това е изключително неправдоподобно."

"На първо място, твърдението е веднага противоречиво, защото това, което имаме предвид под "тъмна енергия", се определя от наличието на определено уравнение на състоянието. Колекция от черни дупки не притежава правилното уравнение на състоянието, така че не може да бъде тъмна енергия."

"...аргументът в статията основно се свежда до това да се каже: Имаме две неща, които не разбираме: (а) растежа на свръхмасивните черни дупки и (б) произхода на тъмната енергия. Предполагаме, че те са свързани и ако приемем, че са свързани, статистическата значимост е висока... предположението, че две неща са свързани, не показва, че те са свързани."

"Но аз давам 99% шанс никога повече да не чуете за този предполагаем пробив", категорична е Сабине Хосенфелдер.

Като че ли е рано да обявим загадката на тъмната енергия за разрешена.

Справка: Duncan Farrah et al, A Preferential Growth Channel for Supermassive Black Holes in Elliptical Galaxies at z ≲ 2, The Astrophysical Journal (2023). DOI: 10.3847/1538-4357/acac2e

The Astrophysical Journal Letters (2023). DOI: 10.3847/2041-8213/acb704. iopscience.iop.org/article/10. … 847/2041-8213/acb704

Източници:

Scientists find first evidence that black holes are the source of dark energy
Hayley Dunning, Imperial College London

Dark energy may have been hiding in the cores of black holes all along,  New Scientist