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 считал, что Вселенная началась с Большого Взрыва, и теми, кто верил, что Вселенная существовала в устойчивом состоянии.
К 1960-м годам первые измерения космического микроволнового фона (CMB) показали, что первый сценарий был наиболее вероятным. А к 1990-м годам «Глубокие поля» Хаббла предоставили самые глубокие изображения Вселенной из когда-либо сделанных, показывая галактики такими, какими они появились всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва.
Со временем эти открытия привели к поразительному осознанию: скорость, с которой Вселенная расширяется (также известная как постоянная Хаббла), не была постоянной во времени! Это привело к теории Темной Энергии, невидимой силы, противодействующей гравитации и ускоряющей это расширение. В серии статей международная группа исследователей под руководством Гавайского университета сообщила, что черные дыры в древних и спящих галактиках растут больше, чем ожидалось. Это представляет собой (они утверждают) первое свидетельство того, что черные дыры могут быть источником темной 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), Национального радио Астрономическая обсерватория (NRAO), Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA), Институт фундаментальной физики и астрономии Митчелла и несколько университетов. Их выводы появились в двух статьях, опубликованных в The Astronomical Journal и The Astronomical Journal Letters.
Космологический кризис
Согласно наиболее распространенной модели Вселенной, темная энергия составляет 68% массы-энергии во Вселенной. Эта теория возродила идею, предложенную Эйнштейном, но позже отвергнутую, — что существует «космологическая постоянная» (представленная научным символом дельта), которая «сдерживала» гравитацию и не позволяла Вселенной схлопываться сама по себе. Сила и темная материя (на долю которой приходится 26,8% содержания массы и энергии) являются неотъемлемой частью наиболее широко распространенной сегодня космологической модели, известной как модель лямбда-холодной темной материи (LCDM).
Основной аргумент в пользу темной энергии заключается в том, что в пространстве-времени существует особый тип энергии (называемый энергией вакуума), который раздвигает Вселенную. 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 ее с помощью квантовой теории поля оказались тщетными. Кроме того, возникает вопрос, как эта энергия совпадает со сверхмассивными черными дырами (СМЧД) в нашей Вселенной.
К 1970-м годам астрономы определили, что постоянный источник радиоизлучения в центре нашей галактики (Стрелец А*) представляет собой черную дыру с массой в 40 миллионов Солнц. Дальнейшие наблюдения показали, что самые массивные галактики имели сверхмассивные чёрные дыры в области своего ядра, что было причиной активных галактических ядер (АЯГ), или квазаров. Чрезвычайно мощная гравитация СМЧД заставляет окружающее вещество падать вокруг них, образуя аккреционные диски и мощные релятивистские струи, в которых вещество разгоняется до скорости, близкой к скорости света (и при этом высвобождает огромное количество радиации).
Присутствие этих «мамонтов» в центре большинства массивных галактик потребовало бы чрезвычайно сильной силы, чтобы противодействовать им. Это особенно верно, когда речь идет 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», в которой утверждается, что СМЧД могут обладать огромной вакуумной энергией и что они являются причиной расширения Вселенной.
Чрезвычайные претензии…
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 черные дыры набирают массу таким образом, что они содержат вакуум. В то время как астрофизики искали теоретическое решение проблемы темной энергии и черных дыр, выводы группы якобы представляют собой первое наблюдательное свидетельство того, что черные дыры являются источником темной энергии.
Если это правда, открытие устраняет необходимость формирования сингулярностей в центре черных 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. Доктор Крис Пирсон, исследователь из RAL Space, исследовательского совета, контролируемого Советом по научно-техническим средствам Великобритании (STFC), и доктор Дэйв Клементс с физического факультета Имперского колледжа были соавторами исследований.
«Если теория подтвердится, то это произведет революцию в области космологии, потому что, наконец, у нас есть решение проблемы происхождения темной энергии, которая более 20 лет ставила космологов и физиков-теоретиков в тупик», — сказал Пирсон в RAL Space. пресс-релиз. «Это действительно неожиданный результат. Мы начали с изучения того, как со временем растут черные 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. Это относится к типу «ранних галактик», которые сформировались в начале Вселенной и с тех пор перестали формировать звезды (также известные как «спящие галактики»). Десятилетия наблюдений показали, что черные дыры могут увеличивать свою массу двумя способами: аккрецируя вещество или сливаясь с черными дырами. Как они указывали в своей первой статье, группа исследовала гигантские эллиптические галактики с красными смещениями менее z<2 (поскольку они появились девять миллиардов лет назад).
У этих спящих галактик осталось мало материала для аккреции их СМЧД, а это означает, что дальнейший рост не может быть объяснен двумя упомянутыми выше механизмами. Затем команда сравнила наблюдения этих эллиптических галактик, которые все еще кажутся молодыми, с местными галактиками, датируемыми ок. 6,6 миллиарда лет назад, которые с тех пор стали бездействующими. Эти наблюдения показали, что сверхмассивные ЧД были в 7-20 раз больше, чем они были девять миллиардов лет назад, что намного больше, чем предсказывает аккреция или слияние.
В своей второй статье они далее сообщают, как измерения родственных популяций галактик в разные моменты их эволюции (около 7,2 миллиарда лет назад) показали 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 черных дыр.
Как заключил Фарр: «На самом деле мы говорим о двух вещах одновременно: есть свидетельства того, что типичные решения для черных дыр не работают для вас в очень-очень долгом временном масштабе, и у нас есть первый предполагаемый астрофизический источник темной энергии. Однако это означает не то, что другие люди не предлагали источники темной энергии, а то, что это первая наблюдательная статья, в которой мы не добавляем ничего нового во Вселенную в качестве источника темной энергии: черные дыры в теории Эйнштейна. гравитации — это темная энергия».
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, писатель, научный коммуникатор и старший сотрудник Forbes Итан Сигел рассказал об этом в недавнем выпуске «Спросите Итана» — специальной серии в своей колонке «Начинается с треском!», где он отвечает на вопросы аудитории. Изучив их исследование, Сигел отмечает, что выводы авторов основаны на главном предположении.
Это предположение состоит в том, что существует «универсальная связь между массой центральной черной дыры и массой звезд 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 выборочных данных, чтобы определить, существует ли «параметр связи» (представленный как k), который имеет одинаковое значение в течение всего космического времени. В итоге команда определила с достоверностью 99,8%, что k имеет ненулевое значение. Хотя этот вывод кажется убедительным, он сводится к предполагаемым отношениям. Как заключил Итан:
«Авторы предполагают существование связи, которой нет, и приписывают предполагаемую эволюцию отношения массы черной дыры к звездной массе связи, когда происходит то, что эти галактики и их черные дыры развиваются. Поскольку мы измеряем каждую галактику только на «моментальном снимке» во времени, у нас нет возможности узнать, как развивается какой-либо отдельный объект, и именно этим методом авторы статьи обманывают себя и, соответственно, любого, кто верит их."
Рискуя повторить заезженную поговорку, «экстраординарные утверждения требуют экстраординарных доказательств». Возможность многократной проверки результатов является одним из наиболее важных критериев, позволяющих считать доказательства надежными. Другими словами, результаты должны
быть продемонстрированной снова и снова и (предпочтительно) с использованием различных методов. Авторы признают это и надеются, что повторные наблюдения подтвердят их. Но на данный момент заявление, которое они сделали, остается экстраординарным и (учитывая последствия) требует дальнейшего расследования.
