Астрофизики нашли доказательство того, что черные дыры являются источником темной энергии

Наблюдения за сверхмассивными черными дырами в центрах галактик указывают на вероятный источник темной энергии — «недостающие» 70% Вселенной.

Измерения старых 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 международная группа из 17 исследователей. Работа опубликована в двух статьях в журналах Astrophysical Journal и Astrophysical Journal Letters.

«Это действительно удивительный результат. Мы начали с изучения того, как черные дыры растут со временем, и, возможно, нашли ответ на один из самых больших вопросов космологии» — говорит автор работы Дэйв Клементс.

Соавтор исследования доктор Крис Пирсон из STFC RAL Space сказал: «Если теория верна, то она произведет революцию во всей космологии, потому что, наконец, у нас есть решение о происхождении темной энергии, которое ставит в тупик космологов и физиков-теоретиков уже более 20 лет».

Гравитация против темной энергии

В 1990-х годах было обнаружено, что расширение Вселенной ускоряется — все удаляется от всего остального со все большей и большей скоростью. Явление было трудно объяснить — гравитационное притяжение между всеми объектами во Вселенной должно было замедлять расширение.

Чтобы найти объяснение было высказано предположение, что «темная энергия» ответственна за расширение Вселенной сильнее, чем гравитация за сжатие. Это было связано с концепцией, предложенной Эйнштейном, но позже отвергнутой, — так называемой «космологической постоянной», противодействующей гравитации и удерживающей Вселенную от коллапса.

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 все во Вселенной дальше друг от друга, ускоряя расширение.

Тем не менее, черные дыры представляли собой проблему — их чрезвычайно сильной гравитации трудно противостоять, особенно в их центрах, где все, кажется, разрушается в явлении, называемом «сингулярностью».

Новый результат показывает, что черные дыры набирают массу таким образом, что они содержат энергию вакуума, обеспечивая источник темной энергии и устраняя необходимость формирования сингулярностей в их центре.

Рост черных дыр

Вывод был сделан в результате изучения девяти миллиардов лет эволюции черных дыр. Когда они находятся в центрах галактик, их называют сверхмассивными черными дырами. Они содержат массу в миллионы или миллиарды раз больше массы Солнца 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, группа исследователей изучила данные за девять миллиардов лет.

Ученые рассмотрели особый тип галактик, называемых гигантскими эллиптическими галактиками, которые эволюционировали во Вселенной на ранней стадии, а затем стали бездействующими. Спящие галактики закончили формирование звезд, оставив мало материала для аккреции черной дыры в их центре, а это означает, что любой дальнейший рост не может быть объяснен обычными 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 девять миллиардов лет назад.

Космологическое взаимодействие

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.

«На самом деле мы говорим о двух вещах одновременно: есть свидетельства того, что типичные решения для черных дыр не работают в очень-очень долгом временном масштабе, и у нас есть первый предполагаемый астрофизический источник темной энергии» — утверждают авторы работы.

«Однако это означает не то, что другие ученые не предлагали источники темной энергии, а то, что это первая наблюдательная работа, в которой мы не добавляем ничего нового во Вселенную в качестве источника темной энергии: черные дыры в эйнштейновской теории гравитации — это темная энергия».