Исследование связывает черные дыры с темной энергией

Изображение звездообразующего протокластера PHz G191.24+62.04, полученное камерой JWST NIRCam 11 миллиардов лет назад, когда Вселенная приближалась к пику звездообразования. Эти ранние галактики входят в число наиболее активных звездообразующих галактик, наблюдавшихся между 10,5 и 11,5 миллиардами лет назад. Таким образом, каждая галактика, видимая на этом изображении, производит множество черных дыр, которые преобразуют материю в темную энергию в соответствии с гипотезой космологически связанных черных дыр. На этом изображении показаны два «модуля» камеры JWST NIRCam: самый левый модуль содержит протокластер, а самый правый модуль — это соседнее пустое поле. Каждый модуль видит тысячи галактик. Автор: NASA, ESA, CSA, Maria Polletta (INAF), Hervé Dole (Paris), Brenda Frye (UofA), Jordan CJ D'Silva (UWA), Anton M. Koekemoer (STScI), Jake Summers (ASU), Rogier Windhorst (ASU)

Почти 14 миллиардов лет назад, в самом начале Большого взрыва, таинственная энергия вызвала экспоненциальное расширение молодой Вселенной и создала всю известную материю, согласно господствующей теории инфляционной Вселенной.

Эта древняя энергия имела основные черты темной энергии современной Вселенной, которая является величайшей загадкой нашего времени по крайней мере по одному объективному стандарту: она составляет большую часть — примерно 70% — Вселенной, но ученые не знают точно, что это такое.

«Если вы зададите себе вопрос: «Где в более поздней Вселенной мы видим такую же сильную гравитацию, как и в начале Вселенной?», ответ — в центре черных дыр», — сказал Грегори Тарле, профессор физики в Мичиганском университете и соавтор исследования.

«Возможно, что то, что произошло во время инфляции, происходит в обратном порядке: материя массивной звезды снова становится темной энергией во время гравитационного коллапса — как небольшой Большой взрыв, воспроизведенный наоборот».

В новом исследовании, опубликованном в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, Тарле и его коллеги из пяти институтов подкрепляют аргументы в пользу этого сценария с помощью последних данных, полученных с помощью спектроскопического инструмента темной энергии. DESI состоит из 5000 роботизированных глаз, установленных на телескопе Mayall в Национальной обсерватории Китт-Пик на земле народа Тохоно О'одхам.

«Если черные дыры содержат темную энергию, они могут соединяться с расширяющейся Вселенной и расти вместе с ней, ускоряя ее рост», — сказал Кевин Крокер, ведущий автор нового исследования группы и научный сотрудник-ассистент в Университете штата Аризона. «Мы не можем получить подробности того, как это происходит, но мы можем видеть доказательства того, что это происходит».

Данные первого года запланированного пятилетнего исследования DESI демонстрируют заманчивые доказательства того, что плотность темной энергии увеличивалась со временем. Это дает убедительную подсказку, подтверждающую эту идею о том, что такое темная энергия, говорят исследователи, поскольку это увеличение со временем согласуется с тем, как количество и масса черных дыр увеличивались со временем.

«Когда я впервые включился в проект, я был настроен очень скептически», — сказал соавтор Стив Ален, почетный профессор физики Бостонского университета. «Но я сохранял открытость ума на протяжении всего процесса, и когда мы начали проводить космологические расчеты, я сказал: «Что ж, это действительно хороший механизм для создания темной энергии».

Разница, которую создает DESI

Для поиска доказательств темной энергии из черных дыр команда использовала десятки миллионов далеких галактик, измеренных DESI. Инструмент заглядывает на миллиарды лет в прошлое и собирает данные, которые можно использовать для определения скорости расширения Вселенной с исключительной точностью. В свою очередь, эти данные можно использовать для вывода о том, как количество темной энергии меняется со временем.

Группа сравнила эти данные с количеством черных дыр, образовавшихся в результате гибели крупных звезд на протяжении всей истории Вселенной.

«Эти два явления согласуются друг с другом — по мере того, как в результате гибели массивных звезд образовывались новые черные дыры, количество темной энергии во Вселенной увеличивалось в правильном направлении», — сказал Дункан Фарра, доцент кафедры физики в Гавайском университете и соавтор исследования. «Это делает более правдоподобным то, что черные дыры являются источником темной энергии».

Это исследование дополняет растущий массив литературы, изучающей возможность космологической связи в черных дырах. Исследование 2023 года, в котором приняли участие многие авторы этой статьи, сообщило о космологической связи в сверхмассивных черных дырах в галактических центрах. Этот отчет 2023 года побудил другие команды искать эффект в черных дырах во всех различных местах, которые они могут быть обнаружены во Вселенной.

«В этих работах исследуется связь между темной энергией и черными дырами по скорости их роста. Наша новая работа связывает черные дыры с темной энергией по времени их рождения», — сказал Брайан Картрайт, астрофизик, соавтор и бывший генеральный юрисконсульт Комиссии по ценным бумагам и биржам США.

Ключевое отличие новой статьи заключается в том, что большинство соответствующих черных дыр моложе, чем те, которые были исследованы ранее. Эти черные дыры родились в эпоху, когда звездообразование — которое отслеживает формирование черных дыр — было в самом разгаре, а не только начиналось.

«Это происходит гораздо позже во Вселенной и подтверждается недавними измерениями образования и роста черных дыр, которые наблюдались с помощью космических телескопов «Хаббл» и «Уэбб», — сказал соавтор Роджер Виндхорст, междисциплинарный ученый из JWST и профессор кафедры исследования Земли и космоса в Университете штата Аризона.

«Следующий вопрос — где находятся эти черные дыры и как они двигались на протяжении последних 8 миллиардов лет. Ученые сейчас работают над тем, чтобы ограничить это», — сказал Крокер.

Наука требует больше возможностей для исследований и наблюдений, и теперь, когда DESI вышел в свет, это исследование темной энергии только начинается.

«Это только привнесет больше глубины и ясности в наше понимание темной энергии, независимо от того, продолжает ли это поддерживать гипотезу черной дыры или нет», — сказал Ален. «Я думаю, что как экспериментальное начинание это замечательно. У вас могут быть предвзятые мнения или нет, но мы движимы данными и наблюдениями».

По словам группы, независимо от того, что принесут эти будущие наблюдения, текущая работа представляет собой кардинальное изменение в исследованиях темной энергии.

«По сути, вопрос о том, являются ли черные дыры темной энергией, связанной со вселенной, в которой они обитают, перестал быть просто теоретическим вопросом», — сказал Тарле. «Теперь это экспериментальный вопрос».

Больше информации: Kevin S. Croker et al, DESI dark energy time evolution is recovered by cosmologically coupled black holes, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2024). DOI: 10.1088/1475-7516/2024/10/094

Источник: University of Michigan