Наблюдения за сверхмассивными черными дырами в центрах галактик указывают на вероятный источник темной энергии — «недостающие» 70% Вселенной.
Измерения древних и спящих галактик показывают, что черные дыры растут больше, чем ожидалось, что соответствует явлению, предсказанному в теории гравитации Эйнштейна. Результат потенциально означает, что к нашей картине Вселенной не нужно добавлять ничего нового, чтобы объяснить темную энергию: источником являются черные дыры в сочетании с гравитацией Эйнштейна.
К такому выводу пришла группа из 17 исследователей из 9 стран, возглавляемая Гавайским университетом и включающая физиков Имперского колледжа Лондона и STFC RAL Space. Работа опубликована в двух статьях в журналах The Astrophysical Journal и The Astrophysical Journal Letters.
Соавтор исследования доктор Дэйв Клементс из физического факультета Империал сказал: «Это действительно удивительный результат. Мы начали с изучения того, как черные дыры растут со временем, и нашли ответ на один из самых больших вопросов космологии».
Соавтор исследования доктор Крис Пирсон из STFC RAL Space сказал: «Если теория верна, то это произведет революцию во всей космологии, потому что, наконец, у нас есть решение о происхождении темной энергии, которое ставило в тупик космологов и физиков-теоретиков уже более 20 лет».
В 1990-х годах было обнаружено, что расширение Вселенной ускоряется — все удаляется от всего остального со все большей и большей скоростью. Это трудно объяснить — гравитационное притяжение между всеми объектами во Вселенной должно замедлять расширение.
Чтобы объяснить это, было высказано предположение, что «темная энергия» ответственна за отдаление вещей сильнее, чем гравитация. Это было связано с концепцией, предложенной Эйнштейном, но позже отвергнутой, — «космологической постоянной», противодействующей гравитации и удерживающей Вселенную от коллапса.
Эта концепция была возрождена с открытием ускоряющегося расширения Вселенной, основным компонентом которого является своего рода энергия, включенная в само пространство-время, называемая энергией вакуума. Эта энергия раздвигает Вселенную дальше друг от друга, ускоряя расширение.
Тем не менее, черные дыры представляли собой проблему — их чрезвычайно сильной гравитации трудно противостоять, особенно в центрах, где все разрушается в сингулярности.
Новый результат показывает, что черные дыры набирают массу таким образом, что содержат энергию вакуума, обеспечивая источник темной энергии и устраняя необходимость формирования сингулярностей в центре.
Вывод был сделан в результате изучения девяти миллиардов лет эволюции черной дыры. Черные дыры образуются, когда массивные звезды подходят к концу своей жизни. Когда они находятся в центрах галактик, их называют сверхмассивными черными дырами. Они содержат массу в миллионы или миллиарды раз больше массы нашего Солнца внутри себя в сравнительно небольшом пространстве, создавая чрезвычайно сильную гравитацию.
Черные дыры могут увеличиваться в размерах, аккрецируя вещество, например, поглощая звезды, которые подходят слишком близко, или сливаясь с другими черными дырами. Чтобы выяснить, могут ли одни только эти эффекты объяснить рост сверхмассивных черных дыр, команда изучила данные за девять миллиардов лет.
Исследователи рассмотрели гигантские эллиптические галактики, которые эволюционировали во Вселенной на ранней стадии, а затем стали бездействующими. Спящие галактики закончили формирование звезд, оставив мало материала для аккреции черной дыры в центре, то есть любой дальнейший рост не может быть объяснен этими нормальными астрофизическими процессами.
Сравнение наблюдений за далекими галактиками (когда они были молодыми) с местными эллиптическими галактиками (которые старые и мертвые) показало гораздо больший, чем предсказывалось, рост за счет аккреции или слияний: современные черные дыры в 7—20 раз больше, чем были 9 миллиардов лет назад.
Дальнейшие измерения с родственными популяциями галактик в разные моменты эволюции Вселенной показывают хорошее соответствие между размером Вселенной и массой черных дыр. Они показывают, что измеренное количество темной энергии во Вселенной можно объяснить энергией вакуума черной дыры.
Это первое наблюдательное свидетельство того, что черные дыры на самом деле содержат энергию вакуума и что они «связаны» с расширением Вселенной, увеличивая массу по мере расширения Вселенной — явление, называемое «космологической связью». Если дальнейшие наблюдения подтвердят это, космологическая связь изменит наше понимание того, что такое черная дыра.
