Группа исследователей обнаружила первые доказательства того, что сверхмассивные черные дыры могут быть источником темной энергии, приводящей к ускоренному расширению Вселенной. Изучая эволюцию черных дыр в центрах древних галактик, ученые выяснили, что их стремительный рост не поддается известным объяснениям. Этот избыточный рост совпадает с ускоряющимся расширением космоса, что делает сверхмассивные черные дыры перспективными кандидатами на роль поставщика энергии Вселенной.
Группа международных учёных, возглавляемая исследователями Гавайского университета, вместе с физиками из Имперского колледжа Лондона и STFC RAL Space, впервые обнаружила наблюдательные доказательства возможного источника темной энергии во Вселенной — сверхмассивные черные дыры.
Темная энергия, или «энергия вакуума», заполняет пространство-время вместе с гравитацией и вызывает ускоренное расширение Вселенной. Её доля в составе Вселенной приблизительно 70 процентов.
Исследователи, изучая супермассивные черные дыры в центре древних спящих галактик, зафиксировали их рост и эволюцию на протяжении миллиардов лет. Сравнивая полученные результаты с данными о подобных объектах в молодых галактиках, обнаружили, что современные черные дыры в 7-20 раз больше, чем были девять миллиардов лет назад. Такая скорость роста не поддается объяснению.
В 1990-х годах открыли, что Вселенная расширяется всё быстрее: всё отдаляется от всего вокруг со всё большей скоростью. Это наблюдение показалось учёным странным: притяжение гравитации между массовыми объектами должно замедляться расширение, а не ускорять его.
Исследователи предположили существование «энергии вакуума» для объяснения наблюдаемого явления. Предполагается, что эта неизвестная по происхождению энергия, входящая в само пространство-время, притягивает объекты друг к другу сильнее, чем гравитация. Ее назвали темной из-за непознанного ее характера.
Концепция темной энергии возникла не без причины. Её появление связано с аналогичной идеей, ранее выдвинутой Эйнштейном, но впоследствии отвергнутой им относительно уравнений пространственного времени: космологической постоянной. В концепции эта постоянная представляла собой «нечто», противодействующее гравитации и предотвращающее коллапс Вселенной.
К сожалению, черные дыры затрудняют определение, потому что их гравитация очень сильная и сопротивлению не поддаётся, особенно в центре, где всё разрывается в сингулярность.
Новый результат исследований свидетельствует о том, что черные дыры наращивают массу пропорционально содержанию энергии в окружающем их вакууме. Это происходит за счет обеспечения источника темной энергии, отчего уходит необходимость формирования сингулярностей в их сердцевине.
Непонятное и чрезмерное увеличение черной дыры.
Изучая девять миллиардов лет эволюции сверхмассивных черных дыр, исследователи пришли к такому выводу.
Два способа позволяют черным дырам расти.
- Черная дыра увеличивается за счёт вещества из окружающей среды (например, звёзд, которые падают в неё).
- В результате объединения с другими чёрными дырами.
Команда исследователей изучила эволюционные данные, чтобы понять, могут ли только эти эффекты объяснить огромный рост сверхмассивных черных дыр.
Множество галактик находятся в спящем состоянии: они завершили формирование звезд, оставив мало материала для увеличения черных дыр в своих центрах. В результате дальнейший рост таких объектов не объясняется привычными астрофизическими процессами.
Проводя сравнение наблюдений далеких галактик, представляющих собой их молодость, с наблюдениями местных эллиптических галактик, старых и без звездного рождения, исследователи зафиксировали более стремительный рост, чем можно было бы ожидать от накопления материи или слияния.
Свидетельства наличия темной энергии у черных дыр.
Из-за недостатка типовых моделей роста черных дыр для объяснения наблюдений, ученые выполнили дополнительные измерении других галактик на разных этапах развития Вселенной.
Учёные обнаружили доказательства своей гипотезы: черные дыры могут расти в массе пропорционально скорости расширения Вселенной. Полученные данные предполагают, что черные дыры способствуют космологическому эффекту за счёт энергии вакуума.
Это первое наблюдение, которое доказывает, что черные дыры хранят энергию вакуума и связаны с расширением Вселенной. Масса их растет вместе с расширением, и такое явление называют космологической связью.
Дальнейшие наблюдения могут изменить наше представление о черных дырах, если подтвердят связь с космологией. Это может привести к революции в космологии, поскольку позволит понять происхождение темной энергии, над которым десятилетиями работают физики-теоретики и космологи.
Исследование освещалось в двух отдельных публикациях, одна из которых вышла в журнале… , а другая в журнале .