Instrument DESI pomaga naukowcom badać „Wielki Wybuch odtworzony wstecz”.
Zgodnie z dominującą teorią Wszechświata inflacyjnego prawie 14 miliardów lat temu, na samym początku Wielkiego Wybuchu, tajemnicza energia spowodowała wykładniczą ekspansję niemowlęcego Wszechświata i wytworzyła całą znaną materię.
Ta starożytna energia dzieliła kluczowe cechy obecnej ciemnej energii Wszechświata, która jest największą tajemnicą naszych czasów według co najmniej jednego obiektywnego standardu: stanowi ona większość – około 70% – Wszechświata, ale naukowcy nie wiedzą dokładnie, czym ona jest.
Jeżeli zadasz sobie pytanie: „Gdzie w późniejszym Wszechświecie widzimy grawitację tak silną, jak na początku Wszechświata?”, odpowiedź brzmi: w centrum czarnych dziur – posiedział Gregory Tarlé, emerytowany profesor fizyki na Uniwersytecie Michigan i współautor pracy. Możliwe, że materia masywnej gwiazdy staje się ponownie ciemną energią podczas kolapsu grawitacyjnego – jak mały Wielki Wybuch rozegrany w odwrotnej kolejności.
W nowym artykule opublikowanym w „Journal of Cosmology and Astroparticle Physics”, Tarlé i jego współpracownicy z pięciu instytucji wzmacniają argumenty przemawiające za tym scenariuszem dzięki najnowszym danym z Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI). Składa się on z 5000 zrobotyzowanych oczu zamontowanych na teleskopie Mayall w Kitt Peak National Observatory na ziemi Tohono O’odham Nation w Arizonie.
Jeżeli czarne dziury zawierają ciemną energię, mogą łączyć się i rosnąć wraz z rozszerzającym się Wszechświatem, powodując przyspieszenie jego wzrostu – powiedział Kevin Croker, główny autor nowego artykułu i asystent na Uniwersytecie Stanowym Arizony. Nie możemy poznać szczegółów tego, jak to się dzieje, ale widzimy dowody na to, że tak się dzieje.
Dane z pierwszego roku planowanych pięcioletnich badań DESI pokazują kuszące dowody na to, że gęstość ciemnej energii wzrosła w czasie. Naukowcy twierdzą, że stanowi to istotną wskazówkę wspierającą koncepcję tego, czym jest ciemna energia, ponieważ ten wzrost w czasie zgadza się z tym, jak ilość i masa czarnych dziur rosła w czasie.
Kiedy po raz pierwszy zaangażowałem się w projekt, byłem bardzo sceptyczny – powiedział współautor Steve Ahlen, emerytowany profesor fizyki na Uniwersytecie Bostońskim. Ale zachowałem otwarty umysł i kiedy zaczęliśmy wykonywać obliczenia kosmologiczne, powiedziałem: „Cóż, to naprawdę fajny mechanizm tworzenia ciemnej energii.”.
Różnica, jaką robi DESI
Aby znaleźć dowody na istnienie ciemnej energii pochodzącej z czarnych dziur, zespół wykorzystał dziesiątki milionów odległych galaktyk zmierzonych przez DESI. Instrument ten spogląda miliardy lat w przeszłość i gromadzi dane, które można wykorzystać do określenia tempa rozszerzania się Wszechświata z niezwykłą precyzją. Z kolei dane te można wykorzystać do wnioskowania o tym, jak ilość ciemnej energii zmienia się w czasie. Zespół porównał te dane z liczbą czarnych dziur powstałych w wyniku śmierci dużych gwiazd w całej historii Wszechświata.
Oba zjawiska były ze sobą spójne – gdy nowe czarne dziury powstawały w wyniku śmierci masywnych gwiazd, ilość ciemnej energii we Wszechświecie wzrastała w konkretny sposób – powiedział Duncan Farrah, profesor nadzwyczajny fizyki na Uniwersytecie Hawajów i współautor badań. To czyni bardziej prawdopodobnym, że czarne dziury są źródłem ciemnej energii.
Niniejsze badania uzupełniają rosnącą literaturę na temat możliwość sprzężenia kosmologicznego w czarnych dziurach. Badania z 2023 roku, w których uczestniczyło wielu autorów omawianego artykułu, wykazało sprzężenie kosmologiczne w supermasywnych czarnych dziurach w centrach galaktyk. To tamten artykuł zachęcił inne zespoły do poszukiwania tego efektu w czarnych dziurach we wszystkich różnych miejscach, w których można je znaleźć we Wszechświecie.
Tamte prace badały związek między ciemną energią a czarnymi dziurami na podstawie ich tempa wzrostu. Nasz nowy artykuł łączy czarne dziury z ciemną energią na podstawie momentu ich narodzin – powiedział Brian Cartwright, astrofizyk i były główny radca prawny amerykańskiej Komisji Papierów Wartościowych i Giełd.
Kluczową różnicą w nowej pracy jest to, że większość odpowiednich czarnych dziur jest młodsza niż te badane wcześniej. Te czarne dziury narodziły się w epoce, w której formowanie się gwiazd – które śledzi powstawanie czarnych dziur – było już w toku, a nie dopiero się zaczynało.
Dzieje się to znacznie później we Wszechświecie i jest oparte na ostatnich pomiarach powstawania i wzrostu czarnych dziur obserwowanych za pomocą teleskopów kosmicznych Hubble’a i Webba (HST i JWST) – powiedział współautor Rogier Windhorst, interdyscyplinarny naukowiec JWST i profesor eksploracji Ziemi i kosmosu na Uniwersytecie Arizony.
Kolejnym pytaniem jest to, gdzie znajdują się te czarne dziury i jak poruszały się przez ostatnie osiem miliardów lat. Naukowcy pracują obecnie nad lepszym zrozumieniem tego zjawiska – powiedział Croker.
Nauka wymaga więcej możliwości badania i obserwacji, a teraz, gdy DESI jest online, poszukiwania ciemnej energii dopiero się rozpoczynają.
To tylko doda więcej głębi i jasności naszemu rozumieniu ciemnej energii – niezależnie od tego, czy hipoteza czarnej dziury potwierdzi się, czy nie – powiedział Ahlen. Myślę, że to wspaniałe przedsięwzięcie. Można mieć uprzedzenia lub nie, ale kierujemy się danymi i obserwacjami.
Niezależnie od tego, co przyniosą przyszłe obserwacje, obecna praca stanowi ogromną zmianę w badaniach nad ciemną energią. Zasadniczo to, czy czarne dziury są ciemną energią w połączeniu z Wszechświatem, który zamieszkują, przestało być tylko kwestią teoretyczną – powiedział Tarlé. Teraz to kwestia eksperymentalna.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Evidence mounts for dark energy from black holes
- DESI dark energy time evolution is recovered by cosmologically coupled black holes
Źródło: Uniwersytet Michigan
Na ilustracji: Obraz z JWST NIRCam przedstawiający protogromadę gwiazdotwórczą PHz G191.24+62.04, 11 miliardów lat temu, gdy Wszechświat zbliżał się do szczytu formowania się gwiazd. Źródło: NASA, ESA, CSA, Maria Polletta (INAF), Hervé Dole (Paris), Brenda Frye (UofA), Jordan C. J. D’Silva (UWA), Anton M. Koekemoer (STScI), Jake Summers (ASU), Rogier Windhorst (ASU)
