До 1920-х років астрономи дізналися, що Всесвіт розширюється, як передбачала загальна теорія відносності Ейнштейна. Це призвело до дебатів серед астрофізиків між тими, хто вірив, що Всесвіт почався з Великого вибуху, і тими, хто вірив, що Всесвіт існував у стаціонарному стані.
До 1960-х років перші вимірювання космічного мікрохвильового фону показали, що перший сценарій був найбільш імовірним. А до 1990-х років Hubble Deep Fields забезпечив найглибші зображення Всесвіту, коли-небудь зроблені, показуючи галактики, як вони з’явилися лише через кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху.
Згодом ці відкриття привели до вражаючого усвідомлення: швидкість, з якою розширюється Всесвіт (така ж постійна Хаббла), не є постійною з часом! Це призвело до виникнення теорії темної енергії, невидимої сили, яка протидіє гравітації та спричиняє прискорення цього розширення. У серії робіт міжнародна група дослідників під керівництвом Гавайського університету повідомила, що чорні діри в стародавніх і сплячих галактиках збільшуються більше, ніж очікувалося. Це є (вони стверджують) першим доказом того, що чорні діри можуть бути джерелом темної енергії.
У дослідженні брали участь астрономи та астрофізики з Гавайського університету, Інституту космологічної фізики Кавлі, Інституту Енріко Фермі, Європейської південної обсерваторії (ESO), Нідерландського інституту космічних досліджень (SRON), Національного радіо Астрономічна обсерваторія (NRAO), Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA), Інститут фундаментальної фізики та астрономії Мітчелла та кілька університетів. Їх висновки опубліковані в двох статтях, опублікованих у The Astronomical Journal і The Astronomical Journal Letters.
Космологічна криза
Відповідно до найпоширенішої моделі Всесвіту, темна енергія становить 68% вмісту маси та енергії у Всесвіті. Ця теорія воскресила ідею, яку запропонував Ейнштейн, але пізніше відкинув, — що існує «космологічна константа» (представлена науковим символом дельта), яка «стримувала» гравітацію та запобігала колапсу Всесвіту. Сила та темна матерія (на яку припадає 26,8% вмісту маси та енергії) є невід’ємною частиною найбільш поширеної сьогодні космологічної моделі, відомої як лямбда-холодна темна матерія (LCDM).
Основним аргументом темної енергії є те, що існує особливий тип енергії в просторі-часі (називається енергією вакууму), яка розштовхує Всесвіт. Однак у цієї теорії є кілька проблем, не остання з яких пов’язана з тим фактом, що не існує прямих доказів цієї таємничої енергії. Крім того, хоча ця енергія вакууму узгоджується з квантовою механікою, усі спроби обчислити її за допомогою квантової теорії поля закінчилися безрезультатно. Крім того, виникає питання, як ця енергія збігається з надмасивними чорними дірами (SMBHs) у нашому Всесвіті.
До 1970-х років астрономи визначили, що постійне радіоджерело в центрі нашої галактики (Стрілець A*) — це чорна діра з масою 40 мільйонів Сонць. Подальші спостереження показали, що більшість масивних галактик мали SMBH в області ядра, що стало причиною активності галактичних ядер (AGN), або квазарів. Надзвичайно потужна гравітація SMBH змушує навколишню речовину падати навколо них, утворюючи акреційні диски та потужні релятивістські струмені, де речовина розганяється до швидкості, близької до світла (і вивільняє величезну кількість радіації).
Присутність цих мамонтів у центрі більшості масивних галактик вимагала б надзвичайно сильної сили, щоб протистояти їм. Це особливо вірно, коли йдеться про теоретизовані сингулярності, які існують у їхній основі, де самі закони фізики руйнуються й стають нерозрізненими. Це породило екзотичну теорію, відому як «космологічний зв’язок», яка стверджує, що SMBH можуть мати величезну вакуумну енергію і що вони є причиною розширення Всесвіту.
Надзвичайні претензії…
У своїх роботах команда під керівництвом Дункана Фарра (астронома з Гавайського університету в Маноа та колишнього доктора філософії з Імперського коледжу) повідомляє про перші спостережні докази того, що чорні діри набирають масу таким чином, що вони містять вакуум. У той час як астрофізики шукали теоретичне вирішення проблеми темної енергії та чорних дір, висновки команди нібито являють собою перші спостережні докази того, що чорні діри є джерелом темної енергії.
Якщо це правда, це відкриття усуває необхідність формування сингулярностей у центрі чорних дір, вирішуючи давні дебати. Це також означає, що більше нічого не потрібно (жодних нових сил чи модифікованих теорій гравітації), щоб наші космологічні моделі мали сенс. Доктор Кріс Пірсон, дослідник з RAL Space, науково-дослідної ради під керівництвом Ради з наукових і технологічних установ Великобританії (STFC), і д-р Дейв Клементс з департаменту кафедри фізики Імперського коледжу були співавторами досліджень.
«Якщо теорія вірна, то це зробить революцію в галузі космології, тому що нарешті ми отримали рішення щодо походження темної енергії, яка спантеличила космологів і фізиків-теоретиків більше 20 років», — сказав Пірсон у RAL Space. прес-реліз. «Це дійсно дивовижний результат. Ми почали з вивчення того, як чорні діри ростуть з часом, і, можливо, знайшли відповідь на одну з найбільших проблем у космології», — додав Клементс.
… Вимагати екстраординарних доказів
Команда дійшла такого висновку, досліджуючи еволюційну історію SMBHs у центрі гігантських еліптичних галактик. Це відноситься до типу «ранніх галактик», які сформувалися на початку Всесвіту і з тих пір перестали утворювати зірки (так звані «сплячі галактики»). Десятиліття спостережень показали, що чорні діри можуть збільшувати свою масу двома способами: шляхом накопичення матерії або шляхом злиття з чорними дірами. Як вони вказали у своїй першій статті, команда досліджувала гігантські еліптичні галактики з червоним зміщенням менше z<2 (як вони з'явилися дев'ять мільярдів років тому).
У цих сплячих галактиках залишилося мало матеріалу для аккреції SMBH, що означає, що подальше зростання не можна пояснити двома згаданими вище механізмами. Потім команда порівняла спостереження цих еліптичних галактик, які все ще здаються молодими, з місцевими галактиками, датованими близько 6,6 мільярдів років тому, які з тих пір стали сплячими. Ці спостереження показали, що SMBH були в 7-20 разів більші, ніж вони були дев'ять мільярдів років тому, набагато більше, ніж те, що передбачають акрецією або злиттям.
У своїй другій статті вони далі стверджують, як вимірювання споріднених популяцій галактик на різних етапах їхньої еволюції (приблизно 7,2 мільярда років тому) показали подібну кореляцію між масою SMBH і розміром Всесвіту. Це є першим доказом «космологічного зв’язку», показуючи, що розширення Всесвіту та зростання SMBH пов’язані. Якщо це буде виявлено в результаті подальших спостережень, це може ефективно змінити наше розуміння Всесвіту та природи чорних дір.
Як підсумував Фарр: «Ми насправді говоримо дві речі одночасно: що є докази того, що типові рішення для чорних дір не працюють для вас протягом тривалого, тривалого періоду часу, і ми маємо перше запропоноване астрофізичне джерело темної енергії. Однак це означає не те, що інші люди не запропонували джерел темної енергії, але це перша стаття спостережень, у якій ми не додаємо нічого нового до Всесвіту як джерела темної енергії: чорні діри в теорії Ейнштейна гравітації — це темна енергія».
Кореляція, а не зв'язок?
Природно, астрономічна/астрофізична спільнота сприйняла ці заяви з деяким скептицизмом. Зокрема, твердження авторів про те, що їхні спостереження є доказом зв’язку, було оскаржено через змішування кореляції з причинним зв’язком. Астрофізик, автор, науковий кореспондент і старший кореспондент Forbes Ітан Сігел розповів про це в нещодавньому випуску «Запитайте Ітана» — спеціальній серії в своїй колонці «Починається з удару!», де він відповідає на запитання аудиторії. Вивчивши їх дослідження, Сігел зауважує, що висновки авторів ґрунтуються на головному припущенні.
Це припущення полягає в тому, що існує «універсальний зв’язок між масою центральної чорної діри та масою зірок у галактиці, який може розвиватися протягом космічного часу, але повинен бути універсальним у будь-який конкретний час». З цього вони порівняли SMBH, які вони вибрали для своїх вибіркових даних, щоб визначити, чи існує «параметр зв’язку» (представлений як k), який має однакове значення протягом космічного часу. Зрештою команда визначила з упевненістю 99,8%, що k має ненульове значення. Незважаючи на те, що цей висновок виглядає переконливим, він зводиться до передбачуваного зв’язку.
Як підсумував Етан: «Автори припускають існування зв’язку, якого немає, і приписують сприйняту еволюцію співвідношення мас чорної діри до зоряної маси зв’язку, тоді як відбувається еволюція цих галактик і їхніх чорних дір. Оскільки ми вимірюємо кожну галактику лише на «миттєвому знімку» в часі, у нас немає способу дізнатися, як розвивається будь-який окремий об’єкт, і цей конкретний метод є саме тим, як автори статті обманюють самих себе, і, відповідно, будь-кого, хто вірить їх».
Як кажуть: «незвичайні твердження вимагають надзвичайних доказів». Здатність неодноразово перевіряти результати є одним із найважливіших критеріїв для того, щоб докази вважалися надійними. Іншими словами, результати повинні демонструватися знову і знову і (бажано) з використанням різних методів. Автори визнають це і сподіваються, що повторні спостереження їх підтвердять. Але на даний момент заява, яку вони зробили, залишається надзвичайною і (з огляду на наслідки) вимагає подальшого розслідування.
