"宇宙学耦合"：新证据表明黑洞是暗能量的来源焦点

来源：cnBeta 　2023-02-16 10:45:06

通过搜索跨越90亿年的现有数据，由夏威夷大学马诺阿分校的科学家领导的一个研究小组发现了"宇宙学耦合"的第一个证据--这是爱因斯坦引力理论中新预测的现象，只有当黑洞被置于不断进化的宇宙中时才可能发生。

天体物理学家邓肯·法拉和凯文·克罗克领导了这项雄心勃勃的研究，将夏威夷在星系演化和引力理论方面的专业知识与九个国家的研究人员的观察和分析经验相结合，首次对真正的黑洞内部可能存在的东西提出了见解。

"当LIGO在2015年底听到第一对黑洞合并时，一切都改变了，"克罗克说。"该信号与纸面上的预测非常吻合，但是将这些预测扩展到数百万年，或者数十亿年？将黑洞的那个模型与我们不断膨胀的宇宙相匹配？当时根本不清楚如何做到这一点。"

【资料图】

该团队最近发表了两篇论文，一篇发表在《天体物理学杂志》上，另一篇发表在《天体物理学杂志通讯》上，研究了位于古老和休眠星系中心的超大质量黑洞。

研究人员研究了像Messier 59这样的椭圆星系，以确定其中心黑洞的质量是否在过去90亿年里发生了变化。光线的平滑分布是数十亿的恒星。资料来源：ESA/Hubble & NASA, P. Cote

第一篇论文发现这些黑洞在数十亿年中获得了质量，其方式不容易被标准的星系和黑洞过程所解释，如合并或气体的吸积。

第二篇论文发现这些黑洞的质量增长与黑洞的预测相吻合，这些黑洞还包围着真空能量--这是由于在不破坏爱因斯坦方程的情况下尽可能地挤压物质，从而避免了奇点的产生。

在不存在奇点的情况下，该论文随后表明，在宇宙第一批恒星死亡时产生的黑洞的综合真空能量与我们宇宙中的暗能量的测量数量一致。

"我们同时在说两件事：有证据表明，典型的黑洞解决方案在很长很长的时间尺度上对你不起作用，而且我们有第一个被提议的暗能量的天体物理来源，"两篇论文的主要作者法拉说。

"不过，这意味着并不是说其他人没有提出暗能量的来源，但这是第一篇观测论文，我们没有给宇宙添加任何新的东西作为暗能量的来源：爱因斯坦引力理论中的黑洞就是暗能量。"

这些新的测量结果，如果得到进一步证据的支持，将重新定义我们对黑洞是什么的理解。

在第一项研究中，该团队确定了如何利用现有的黑洞测量来搜索宇宙学耦合。

考德威尔53号（NGC 3115）最引人注目的是在其中心可以发现的超大质量黑洞。资料来源：美国宇航局、欧空局和J-埃尔文（阿拉巴马大学）。

黑洞也很难在很长的时间尺度上进行观测。观察可以在几秒钟内进行，或者最多几十年--没有足够的时间来检测黑洞在宇宙的整个生命周期中可能发生的变化。要看到黑洞在几十亿年的范围内如何变化是一项更大的任务。

因为星系的寿命可能长达数十亿年，而且大多数星系都包含一个超大质量黑洞，研究小组意识到星系是关键，但选择正确的星系类型至关重要。

研究报告的共同作者、西北研究协会的星系专家萨拉-佩蒂（Sara Petty）说："在文献中测得的星系中的黑洞有许多不同的行为，而且实际上没有任何共识。我们决定，通过只关注被动进化的椭圆星系中的黑洞，我们可以帮助理清这件事。"

椭圆星系是巨大的，而且形成得很早。它们是星系组装的化石。天文学家认为它们是星系碰撞的最终结果，体积巨大，有多达数万亿颗旧星。

通过比较5个不同的古代椭圆星系的黑洞质量和今天椭圆星系中的黑洞来测量耦合强度k。测量结果聚集在k=3左右，意味着黑洞含有真空能量，而不是一个奇点。资料来源：法拉等人，2023年[《ApJ》杂志]

通过只观察最近没有活动的椭圆星系，研究小组可以认为，这些星系的黑洞质量的任何变化都不可能轻易地由其他已知过程引起。利用这些种群，研究小组随后检查了它们中心黑洞的质量在过去90亿年中是如何变化的。

如果黑洞的质量增长只通过吸积或合并发生，那么这些黑洞的质量预计根本不会有太大变化。然而，如果黑洞通过与膨胀的宇宙耦合而获得质量，那么这些被动演化的椭圆星系可能会显示出这种现象。

研究人员发现，他们看的时间越靠前，黑洞的质量就越小，相对于它们今天的质量。这些变化是很大的。今天的黑洞比90亿年前的黑洞大7到20倍，大到研究人员怀疑宇宙学耦合可能是罪魁祸首。

在第二项研究中，研究小组调查了在第一项研究中测得的黑洞增长是否可以单独用宇宙学耦合来解释。

"你可以把一个耦合的黑洞想象成一个橡皮筋，随着宇宙的扩张而被拉长，随着它的拉伸，它的能量增加。爱因斯坦的E = mc2告诉你，质量和能量是成比例的，所以黑洞的质量也会增加。"质量增加的程度取决于耦合强度，研究人员称这个变量为K。橡皮筋越硬，就越难拉伸，所以拉伸时的能量就越大。简而言之，这就是k，"克罗克说。

因为来自宇宙学耦合的黑洞的质量增长取决于宇宙的大小，而宇宙在过去比较小，所以第一项研究中的黑洞必须以正确的数量减少质量，以便宇宙学耦合的解释能够发挥作用。

研究小组在三个不同的椭圆星系集合中检查了五个不同的黑洞群，这些黑洞取自宇宙大约是现在大小的二分之一和三分之一的时候。在每一次比较中，他们都测量到K值几乎为正3。

2019年，这个数值被当时还是研究生的克罗克和马诺阿大学的数学教授乔尔-韦纳预测为含有真空能量的黑洞，而不是奇点。

这个结论是深刻的，克罗克和韦纳已经证明，如果k是3，那么宇宙中的所有黑洞共同贡献了一个几乎恒定的暗能量密度，就像暗能量的测量结果表明的那样。

黑洞来自死亡的大型恒星，所以如果知道正在制造多少大型恒星，就可以估计你正在制造多少黑洞，以及它们作为宇宙学耦合的结果增长多少。研究小组使用了詹姆斯-韦伯太空望远镜提供的关于最早的恒星形成速度的最新测量结果，发现这些数字是一致的。

据研究人员称，他们的研究为理论物理学家和天文学家提供了一个框架，以进一步测试，并为当前的暗能量实验，如暗能量光谱仪和暗能量调查，提供了一个框架，以阐明这一想法。

"如果得到证实，这将是一个了不起的结果，为下一代的黑洞解决方案指明了方向，"法拉说。

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