Спостереження за надмасивними чорними дірами в центрах галактик вказують на ймовірне джерело темної енергії — таємничої досі субстанції, що становить 70% маси та енергії Всесвіту.
Вимірювання, виконані в стародавніх галактиках, де не відбувається утворення зір, показують: чорні діри ростуть більшими, ніж очікувалося, що узгоджується з явищем, передбаченим у теорії гравітації Айнштайна. Результат потенційно означає, що нічого нового не потрібно додавати до нашої картини Всесвіту, щоб пояснити природу темної енергії. Її джерелом є чорні діри.
До такого висновку дійшла група з 17 дослідників у дев’яти країнах, зокрема фізики Імперського коледжу Лондона та STFC RAL Space (Центр космічних досліджень та інновацій Великобританії — Ред.). Групу очолювали науковців з Гавайського університету. Результати дослідження оприлюднені в двох статтях, вміщених у журналах The Astrophysical Journal і The Astrophysical Journal Letters.
Співавтор дослідження доктор Дейв Клементс (Dave Clements) з фізичного факультету Імперського університету сказав: «Це справді дивовижний результат. Ми почали досліджувати, як чорні діри ростуть з часом, і, можливо, знайшли відповідь на одне з найбільших проблеми космології».
Співавтор дослідження доктор Кріс Пірсон (Chris Pearson) із STFC RAL Space сказав: «Якщо висновки правильні, то це революціонізує всю космологію, бо нарешті ми отримали рішення щодо походження темної енергії, яка спантеличує 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 все швидше й швидше. Це явна суперечність, адже сила тяжіння між усіма об’єктами у Всесвіті має сповільнювати розширення. Для її пояснення науковці висловили припущення, що відповідальною за таке розширення є «темна енергія». Це випливало з концепції, запропонованої в свій час Айнштайном, але яку він пізніше відкинув, про «космологічну константу». Вона у рівнянні загальної теорії відносності позначала силу, що протистояла гравітації та запобігала колапсу (стисканню в точку — Ред.) Всесвіту.
Цю концепцію науковці відродили після відкриття прискореного розширення Всесвіту. Джерело «антигравітації» — якась енергія, що є складовою простору-часу. Її називають енергією фізичного вакууму. Вона і спричиняє ще більші відстані у Всесвіті, прискорюючи його розширення.
Однак чорні діри становлять проблему — їхній надзвичайно сильній гравітації важко протистояти, особливо в центрі таких об’єктів, де все, здається, руйнується і зникає через феномен, який називають «сингулярність».
Новий результат показує, що чорні діри набирають масу так, наче вони містять енергію вакууму. В такому разі вони є джерелом темної енергії і сингулярність в них не виникає.
Проблема зростання чорної діри
Науковці зробили висновок зважаючи на результати вивчення еволюції чорної діри протягом дев’яти мільярдів років. Чорні діри утворюються, коли масивні зорі закінчують своє існування. У центрі галактик містяться надмасивні чорні діри. Їхня маса в мільйони чи мільярди разів перевищує масу Сонця. «Замкнута» у відносно невеликому просторі, ця маса створює неймовірно сильну гравітацію.
Чорні діри можуть збільшуватися в розмірах за рахунок накопичення матерії, наприклад поглинаючи зорі, що наближаються надто близько, або за рахунок злиття з іншими чорними дірами. Щоб з’ясувати, чи можуть лише ці ефекти пояснити зростання надмасивних чорних дір, наукова група виконала аналіз даних за дев’ять мільярдів років.
Лінзоподібна галактика NGC 1316 (також відома як Піч A) міститься на відстані близько 60 мільйонів світлових років від Землі у напрямку сузір’я Піч. Авторські права на зображення: NASA, ESA та наукова група «Спадщина Габбла» (STScI/AURA). Фото з сайту https://phys.org.
Науковці вивчали певний тип галактик — величезні еліптичні галактики, що виникли на початку Всесвіту, пройшли еволюційний шлях, а потім увійшла в стан сплячки. У сплячих галактиках вже не формуються зорі, тобто для нарощення маси чорної діри в центрі залишилося мало речовини. Отже, будь-яке подальше зростання не можна пояснити цими нормальними астрофізичними процесами.
Порівняння далеких галактик (коли вони були молодими) з нинішніми еліптичними галактиками (які є старими й мертвими) показало набагато більше зростання маси, ніж передбачено через акрецію чи злиття. Сучасні надмасивні чорні діри в 7—20 разів масивніші, ніж вони були дев’ять мільярдів років. тому.
Вимірювання сили космологічного зв’язку k шляхом порівняння мас чорних дір у 5 різних вибірках стародавніх еліптичних галактик із чорними дірами в нинішніх еліптичних галактиках. Значення параметра зосереджені навколо k = 3, що означає — чорні діри містять енергію вакууму, а не сингулярність. Авторські права на зображення: Фарра (Farrah) та ін., 2023 [the ApJ Letter]. Фото з сайту https://phys.org.
Космологічний зв’язок
Подальші вимірювання пов’язаних популяцій галактик на різних етапах еволюції Всесвіту показують хорошу узгодженість між розміром Всесвіту та масою чорних дір. Це вказує на те, що встановлене значення кількості темної енергії у Всесвіті можна пояснити енергією вакууму чорної діри.
Нові результати є першим спостережним свідчення того, що чорні діри насправді містять енергію вакууму і що вони «пов’язані» з розширенням Всесвіту, збільшуючи масу в міру розширення Всесвіту. Таке явище називають «космологічний зв’язок». Якщо подальші спостереження підтвердять це, космологічний зв’язок спричинить переосмислення нашого розуміння того, що таке чорна діра.
Перший автор дослідження Дункан Фарра (Duncan Farrah), астроном Гавайського університету та колишній аспірант Імперського коледжу Лондона, сказав: «Ми насправді вказуємо на дві речі: є докази того, що типові рішення для чорних дір не працюють на великих часових відтинка, і ми пропонуємо перше астрофізичне джерело темної енергії».
«Однак це не означає, що інші науковці не запропонували джерела темної енергії, але це перший спостережний результат, де ми не додаємо нічого нового у Всесвіт для пояснення джерела темної енергії: чорні діри, які описує теорія гравітації Айнштайна, — це темна енергія».
За інф.з сайту https://phys.org
