К 1920-м годам астрономы узнали, что Вселенная расширяется, как и предсказывала общая теория относительности Эйнштейна. Это привело к дебатам среди астрофизиков между теми, кто верил, что Вселенная началась с Большого Взрыва, и теми, кто верил, что Вселенная существовала в устойчивом состоянии всегда. В 1960-х годах измерения космического микроволнового фона (CMB) показали, что первый сценарий был наиболее вероятным. А к 1990-м годам “Хаббл” предоставил самые глубокие изображения Вселенной из когда-либо сделанных, показывая галактики такими, какими они были всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Таким образом у учёных появилась возможность найти источник тёмной энергии.
Со временем эти исследования привели к поразительному откртию: скорость, с которой Вселенная расширяется (также известная как постоянная Хаббла ), не была постоянной во времени! Это привело к появлению теории тёмной энергии, невидимой силы, противодействующей гравитации и ускоряющей это расширение. В серии статей международная группа исследователей сообщила, что чёрные дыры в древних и спящих галактиках растут быстрее, чем ожидалось. Это представляет собой (как утверждают исследователи) первое свидетельство того, что чёрные дыры могут быть источником тёмной энергии.
В исследовании приняли участие астрономы и астрофизики из Гавайского университета, Института космологической физики им. Кавли, Института Энрико Ферми, Европейской южной обсерватории (ESO), Нидерландского института космических исследований (SRON), Астрономической обсерватории NRAO, Института астрофизики и наук Испании (IA), Института фундаментальной физики и астрономии Митчелла и нескольких других университетов. Их выводы появились в двух статьях, опубликованных в The Astronomical Journal и The Astronomical Journal Letters.
Космологический кризис
Согласно наиболее распространённой модели Вселенной, тёмная энергия составляет 68% массы-энергии во Вселенной. Эта теория возродила идею, предложенную Эйнштейном, но позже отвергнутую, – что существует “космологическая постоянная”, которая “сдерживает” гравитацию и не позволяет Вселенной схлопнуться. Энергия и тёмная материя (на долю которой приходится 26,8% массы и энергии Вселенной) являются неотъемлемой частью наиболее широко распространённой сегодня космологической модели, известной как модель Лямбда-CDM.
Основной аргумент в пользу тёмной энергии заключается в том, что в пространстве-времени существует особый тип энергии (называемый энергией вакуума), который приводит к расширению Вселенной. Однако у этой теории есть несколько проблем, не последняя из которых связана с тем фактом, что не существует прямых доказательств существования этой таинственной энергии. Более того, хотя эта энергия вакуума согласуется с квантовой механикой, все попытки вычислить её с помощью квантовой теории поля оказались тщетными. Кроме того, возникает вопрос, как эта энергия связана со сверхмассивными чёрными дырами (СМЧД) в нашей Вселенной.
К 1970-м годам астрономы определили, что постоянный источник радиоизлучения в центре нашей галактики (Стрелец A*) представляет собой чёрную дыру с массой в 40 миллионов Солнц. Дальнейшие наблюдения показали, что самые массивные галактики имеют сверхмассивные чёрные дыры в своих центрах, что порой приводит к появлению активных галактических ядер (АЯГ), или квазаров. Чрезвычайно мощная гравитация СМЧД заставляет окружающее вещество вращаться вокруг них, образуя аккреционные диски и мощные релятивистские струи, в которых вещество разгоняется до скоростей, близких к скоростям света (при этом высвобождается огромное количество радиации).
Присутствие этих мамонтов в центрах большинства массивных галактик потребовало бы чрезвычайно большой силы, чтобы противодействовать им. Это особенно верно, когда речь идёт о сингулярностях, которые, как предполагается, существуют в их ядрах, где сами законы физики нарушаются и становятся неразличимыми. Это породило экзотическую теорию, известную как “космологическая связь”, согласно которой СМЧД могут обладать огромной вакуумной энергией и что они являются причиной расширения Вселенной.
Источник тёмной энергии
В своих статьях группа под руководством Дункана Фарра (астронома из Гавайского университета в Маноа и бывшего доктора философии Имперского колледжа) сообщает о первом наблюдательном свидетельстве того, что чёрные дыры набирают массу, благодаря энергии вакуума. В то время как астрофизики искали теоретическое решение проблемы тёмной энергии и чёрных дыр, выводы группы якобы представляют собой первое наблюдательное свидетельство того, что чёрные дыры являются источником тёмной энергии.
Если это правда, открытие устраняет необходимость формирования сингулярностей в центре чёрных дыр, разрешая давние споры. Это также означает, что больше ничего не нужно (никаких новых сил или модифицированных теорий гравитации), чтобы наши космологические модели имели смысл. Соавторами исследования выступили доктор Крис Пирсон, исследователь из исследовательского совета RAL Space, курируемого Советом по научно-техническим средствам Великобритании (STFC), и доктор Дэйв Клементс с физического факультета Имперского колледжа.
“Если теория подтвердится, то это произведёт революцию в области космологии, потому что, наконец, у нас есть решение для проблемы происхождения тёмной энергии, которая более 20 лет ставила космологов и физиков-теоретиков в тупик”, – сказал Пирсон. “Это действительно неожиданный результат. Мы начали с изучения того, как со временем растут чёрные дыры, и, возможно, нашли ответ на одну из самых больших проблем в космологии”, – добавил Клементс.
Требуются экстраординарные доказательства
Команда пришла к такому выводу, изучив историю эволюции сверхмассивных чёрных дыр в центрах гигантских эллиптических галактик. Они относятся к типу “ранних галактик”, которые образовались в начале существования Вселенной и с тех пор перестали формировать звёзды (спящие галактики). Десятилетия наблюдений показали, что чёрные дыры могут увеличивать свою массу двумя способами: аккрецируя вещество или сливаясь с другими чёрными дырами. В своей работе команда исследовала гигантские эллиптические галактики с красным смещением менее 2, которые появились более девяти миллиардов лет назад.
У этих спящих галактик осталось мало материала для аккреции их СМЧД, а это означает, что дальнейший рост не может быть объяснён двумя упомянутыми выше механизмами. Затем команда сравнила наблюдения этих эллиптических галактик, которые всё ещё кажутся молодыми, с местными галактиками, возрастом около 6,6 миллиарда лет, которые с тех пор стали бездействующими. Эти наблюдения показали, что СМЧД были в 7-20 раз больше, чем должны быть, что намного больше, чем предсказывает аккреция или слияние.
В своей второй работе исследователи провели измерения родственных популяций галактик в разные моменты их эволюции и обнаружили аналогичную корреляцию между массой сверхмассивных чёрных дыр и размером Вселенной. Это первое свидетельство “космологической связи”, показывающее, что расширение Вселенной и рост СМЧД связаны. Если это подтвердится дальнейшими наблюдениями, это может существенно изменить наше понимание Вселенной и природы чёрных дыр.
Корреляция, а не связь?
Естественно, астрономическое/астрофизическое сообщество встретило эти утверждения с некоторым скептицизмом. В частности, утверждение авторов о том, что их наблюдения представляют собой доказательство связи, было оспорено из-за смешения корреляции с причинно-следственной связью. Астрофизик и писатель Итан Сигел рассказал об этом в недавнем выпуске “Спросите Итана”, где он отвечает на вопросы аудитории. Изучив новое исследование, Сигел отмечает, что выводы авторов основаны на предположении.
Это предположение состоит в том, что существует “универсальная связь между массой центральной чёрной дыры и массой звёзд в галактике, которая может развиваться в течение космического времени, но должна быть универсальной в любое конкретное время”. Исходя из этого, они сравнили сверхмассивные чёрные дыры, которые они выбрали для своих исследований, чтобы определить, существует ли “параметр связи”, который имеет одинаковое значение в течение всего космического времени и может ли он помочь найти источник тёмной энергии. В итоге команда определила с достоверностью 99,8%, что такой параметр имеет ненулевое значение. Хотя этот вывод кажется убедительным, он сводится к предполагаемым отношениям.
Возможность многократной проверки результатов является одним из наиболее важных критериев, позволяющих считать доказательства надёжными. Другими словами, результаты должны быть продемонстрированы снова и снова и (предпочтительно) с использованием различных методов. Авторы признают это и надеются, что повторные наблюдения подтвердят их выводы. Но на данный момент заявление, которое они сделали, остается экстраординарным и требует дальнейшего расследования.
