本文来自微信公众号:原理 (ID:principia1687),作者:Gaviota,原文标题:《暗能量起源于黑洞的首个观测证据》,头图来自:NAS


宇宙的历史,是一部膨胀的历史。大约138亿年前,在大爆炸之后,宇宙就开始不断地膨胀,越变越大。


20世纪末,天文学家基于对Ia型超新星的观测发现,宇宙膨胀的速度并没有像预期那样,在引力的作用下逐渐放缓。相反,它进一步加速了,一切都在以越来越快的速度远离彼此。这也成了宇宙学最大的谜团之一。


为了解释这一现象,科学家引入了“暗能量”这个概念,根据计算,暗能量占据了宇宙总质量-能量的68%,它比引力更强,负责驱动这种加速膨胀,将一切不断拉开。


(图片素材/The Royal Swedish Academy of Sciences)


但实际上,“暗能量”只是一个模糊的名字,没有人说得清它本质上究竟是什么。暗能量的起源,也成了一个困惑了宇宙学家和理论物理学家20多年的问题。


然而,近期一项对星系中心的超大质量黑洞的观测,指向了暗能量的一种可能来源。对古老的休眠星系的观测结果显示,那里的黑洞以超过预期的方式增长,这与爱因斯坦的引力理论所预测的一种现象一致。这一结果可能意味着,我们的宇宙图景不需要增加任何新东西来解释暗能量:黑洞与爱因斯坦的引力相结合,就是问题的源头。


这项结论是由9个国家的17名研究人员组成的国际团队得出的。研究结果已发表在《天体物理学杂志》和《天体物理学杂志通讯》的两篇论文中。


引力与暗能量   


宇宙学家还完全不清楚暗能量的本质,但许多人提出了自己的想法。比如,有人认为,它是一种会根据环境变化的变色龙粒子,甚至也有人反对暗能量的存在。


但一种最有力的可能解释是,暗能量的来源其实就是宇宙学常数。1917年,爱因斯坦为了让宇宙保持静态,在方程中引入了这一常数。


宇宙学常数。(图/新原理研究所)


换句话说,它的主要成分源自真空的固有能,也就是真空能。根据量子物理学,真空并不空,而是充满了量子涨落。在真空中,虚粒子会不断地出现,仅持续非常短暂的瞬间就会再次消失。


真空能与暗能量。(图/新原理研究所)


真空能会将宇宙推开,加速膨胀。不过,黑洞也带来了一个问题。黑洞极强的引力是难以对抗的,尤其是在黑洞的中心,一切似乎都会在一个被称为“奇点”的现象中坍缩。


而新的结果显示,黑洞获得质量的方式与它们包含真空能的方式一致,提供了暗能量的来源,并消除了在中心形成奇点的需求。


黑洞的成长之痛  


这一结论是通过研究90亿年的黑洞演化过程得出的。过去的观测表明,在几乎所有星系的中心,都存在着一个超大质量黑洞。这些黑洞在一个相对较小的空间内,囊括了几百万到几十亿倍太阳质量,产生了极强的引力。


研究涉及的双鱼座星系NGC524,距离地球9000万光年。(图/ESA, Hubble)


黑洞可以通过吸积物质来增大体积,比如吞噬那些过于靠近的恒星,或者与其他黑洞并合。为了发现这些效应是否能单独解释超大质量黑洞的增长,团队研究了跨越90亿年的数据。


研究人员观察了一种特殊类型的星系,也就是巨椭圆星系,它们的演化发生在宇宙早期,然后便进入了休眠。休眠星系已经完成了内部恒星形成的“任务”,只剩下很少的物质供中心的黑洞吸积,这意味着黑洞的任何进一步的增长都不能用那些常规的天体物理过程来解释。


他们将观测到的遥远星系(年轻的)和距离我们较近的椭圆星系(暮年且已“死亡”)中心的黑洞进行比较后发现,今天的黑洞比90亿年前要大7-20倍,这个增长比预测的要大得多,无法用吸积或并合来解释。


研究涉及的星系NGC1316(又称天炉座A),距离约6000万光年。(图/NASA, ESA, The Hubble Heritage Team, STScI, AURA)


在宇宙演化的不同阶段,对相关星系群的进一步测量显示,宇宙的大小和黑洞的质量之间具有相当明显的一致性。这说明,宇宙中测量到的暗能量的量,可以由黑洞真空能来解释。


这是首个观测证据表明,黑洞的确包含真空能,且它们与宇宙的膨胀“耦合”,随着宇宙的膨胀而增加质量,这种现象称为“宇宙学耦合”。


宇宙学耦合  


如果这种理论被进一步证实,宇宙学耦合将重新定义我们对黑洞的理解,也将彻底改变整个宇宙学,因为它将意味着科学家终于找到了一种解决暗能量起源的方法。


研究人员表示,这种解释可以通过更多星系观测而强化,或者通过观测宇宙微波背景(CMB)中的特征来加强。如果他们的发现是正确的,黑洞将会以一种独特的方式影响宇宙的膨胀和CMB,而这应该是可以被探测到的。


对于新的结果,研究人员感到非常惊喜,因为这是第一项提出爱因斯坦引力理论中的黑洞就是暗能量的观测研究。或许在未来,通过研究黑洞如何随时间增长,科学家可以为宇宙学中最重大的谜团之一找到更多线索。


参考来源:

https://www.ralspace.stfc.ac.uk/Pages/first-evidence-black-holes-source-of-dark-energy.aspx

https://www.newscientist.com/article/2359827-dark-energy-may-have-been-hiding-in-the-cores-of-black-holes-all-along/


本文来自微信公众号:原理 (ID:principia1687),作者:Gaviota

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