Наблюдения за сверхмассивными черными дырами в центрах галактик предполагают, что они могут быть источником темной энергии

Наблюдения за сверхмассивными черными дырами в центрах галактик предполагают, что они могут быть источником темной энергии. Если анализы подтвердятся, исследователи, наконец, решат одну из величайших загадок космологии.

Измерения древних эллиптических галактик показали, что черные дыры растут быстрее, чем должны. Это побудило исследователей искать причины этого состояния. Их результаты предполагают, что сверхмассивные черные дыры могут быть источником темной энергии, которая способствует ускорению расширения Вселенной.

Всего в исследовании приняли участие 17 исследователей из девяти стран. - Это действительно фантастический результат. «Мы начали с изучения того, как со временем растут черные дыры, и, возможно, нашли ответ на одну из самых больших проблем в космологии», — говорит соавтор исследования доктор Дэйв Клементс.

- Если наша теория подтвердится, она произведет революцию во всей космологии. Наконец, мы нашли решение проблемы происхождения темной энергии. Эта проблема ставит в тупик космологов и физиков-теоретиков уже более 20 лет, добавляет еще один соавтор исследования, доктор Крис Пирсон.

Две статьи с описанием наблюдений были опубликованы в The Astrophysical Journal (DOI: 10.3847/1538-4357/acac2e) и The Astrophysical Journal Letters (DOI: 10.3847/2041-8213/acb704).

Гравитация против темной энергии

В 1990-х годах ученые обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Все вещества удаляются друг от друга со все возрастающей скоростью. Это явление трудно объяснить, потому что гравитационная сила между всеми объектами во Вселенной должна замедлять расширение.

Ученые считают, что расширение связано с темной энергией, гипотетической формой энергии, которая может составлять до 70 процентов всей энергии Вселенной. Мы не можем обнаружить это напрямую. Мы делаем вывод о его существовании из наблюдений за ускоряющимся расширением Вселенной. Что-то заставляет Вселенную расширяться все быстрее и быстрее, и мы не можем это объяснить.

Чтобы обнаружить темную энергию, ученые обычно ищут ее гравитационные взаимодействия с окружающей средой. Речь идет о том, как она притягивает объекты, или на самом деле не притягивает, а отталкивает, потому что в самых больших масштабах гравитационный эффект темной энергии будет раздвигать объекты, ускоряя расширение Вселенной.

Темная энергия, как сила, ответственная за ускорение расширения Вселенной, даже была включена Альбертом Эйнштейном в его уравнения, хотя впоследствии он ее отверг. Речь шла о так называемой «космологической постоянной», которая бросила вызов гравитации и предотвратила коллапс Вселенной.

Однако проблема темной энергии заключалась в черных дырах. Их чрезвычайно сильную гравитацию трудно преодолеть, особенно в их центрах. Поэтому было разработано множество альтернативных концепций черных дыр.

Обратите внимание: Лучший фильм про космос, или Почему человек НЕ покорит галактику.

Чаще всего сами эти объекты невидимы, если только они не являются частью двойной звездной системы или не окружены аккреционным диском. Но за исключением тех случаев, когда они пожирают материю, наблюдать за черными дырами трудно, потому что черные дыры настолько массивны, что даже свет не может сопротивляться их гравитационному притяжению. Астрономы делают вывод об их присутствии по гравитационному воздействию на окружающую среду, то есть по поведению звезд и материи в непосредственной близости от них. 

Однако новое исследование предполагает, что черные дыры могут не иметь горизонта событий или сингулярности, а вместо этого заполнены типом энергии, содержащейся в самом пространстве-времени, называемой энергией вакуума. Эта энергия раздвигает объекты, ускоряя их расширение.

Рост черных дыр

Ученые разработали новую концепцию, изучив девять миллиардов лет эволюции черной дыры. Эти объекты образуются, когда массивные звезды коллапсируют из-за собственной массы к концу своей жизни. Они могут иметь массу, в миллионы и даже миллиарды раз превышающую массу нашего Солнца, сосредоточенного в сравнительно небольшом пространстве. Это создает чрезвычайно сильную гравитацию.

Черные дыры могут увеличиваться в размерах, аккрецируя вещество, например, поглощая близлежащие звезды 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 сосредоточились на особом типе галактик, называемых эллиптическими галактиками, которые появились в начале формирования Вселенной и в настоящее время бездействуют. Это означает, что галактики уже завершили звездообразование, оставив мало материала для накопления черных дыр в их центрах. Таким образом, продолжающийся рост черных дыр нельзя объяснить скоплением материи поблизости.

Сравнение наблюдений этих далеких галактик с более близкими галактиками показало увеличение количества черных дыр, которое было намного больше, чем можно было объяснить аккрецией близлежащего материала. Черные дыры были в 7-20 раз больше, чем их аналоги девять миллиардов лет назад.

Но если бы черные дыры содержали энергию вакуума, связанную с расширением Вселенной, они бы росли быстрее, говорят исследователи.

Они подсчитали, что если сверхмассивные черные дыры в центрах галактик производят темную энергию, это объясняет многое из того, что, как мы думаем, существует. Звездные черные дыры в галактических дисках и, возможно, гало могут объяснить все остальное.

Космологическое взаимодействие

Дальнейшие измерения других галактик на разных стадиях их развития показали корреляцию между размером Вселенной и массой черных дыр. Они показывают, что измеренное количество темной энергии во Вселенной можно объяснить энергией вакуума, исходящей от черной дыры.

Авторы исследования считают, что это первое наблюдательное свидетельство того, что черные дыры содержат энергию вакуума и что они «привязаны» к расширению Вселенной, тем самым увеличивая свою массу. Если дальнейшие наблюдения подтвердят отчет исследователей, это может изменить наше понимание того, что такое черная дыра.

- Есть свидетельства того, что типичные теории черных дыр не работают в больших временных масштабах. У нас также есть то, что может стать первым астрофизическим источником темной энергии, говорит ведущий автор Дункан Фарра из Гавайского университета. «Это первая наблюдательная работа, в которой мы не добавляем ничего нового во Вселенную как источник темной энергии: черные дыры в теории гравитации Эйнштейна — излучатели темной энергии», — поясняет исследователь.

Больше интересных статей здесь: Космос.

Источник статьи: Наблюдения за сверхмассивными черными дырами в центрах галактик предполагают, что они могут быть источником темной энергии.