Co czarne dziury mają wspólnego z ciemną energią? Nowe badania sugerują, że oba te zjawiska mogą być nierozerwalnie związane, co potencjalnie rozwiązuje zagadkę natury ciemnej energii.
Wiele modeli czarnych dziur
Kiedy masywna gwiazda kończy życie, zapada się do postaci czarnej dziury, tworząc studnię w czasoprzestrzeni tak głęboką, że nawet światło nie może się z niej wydostać. Choć coraz lepiej rozumiemy czarne dziury, tak naprawdę nadal wiele o nich nie wiemy i polegamy na modelach matematycznych, aby dowiedzieć się więcej i stawiać hipotezy, które możemy następnie przetestować. Najpopularniejszy model przewiduje wirującą czarną dziurę zawierającą osobliwość – punkt hipotetycznie nieskończenie zakrzywionej czasoprzestrzeni, w którym nasze równania opisujące grawitację przestają odpowiadać prawdzie – ukrytą przez horyzont zdarzeń czarnej dziury.
Jednak powszechnie przyjęty wśród naukowców model czarnej dziury pozostaje w sprzeczności z ogólną ekspansją Wszechświata, co skłoniło niektórych badaczy do zaproponowania alternatywnych modeli. W jednym z takich modeli czarne dziury nie zawierają osobliwości, lecz są wypełnione energią próżni. Tak rozumiane czarne dziury są intrygujące, ponieważ ich wzrost jest połączony z rozszerzaniem się Wszechświata: w miarę jak Wszechświat się rozszerza, zyskują one masę.
Czy czarne dziury zyskują masę w miarę rozszerzania się Wszechświata?
W artykule opublikowanym 15 lutego 2023 roku Duncan Farrah (Uniwersytet Hawajski) i jego współpracownicy przetestowali ten model czarnej dziury, badając wzrost supermasywnych czarnych dziur na przestrzeni miliardów lat. Zespół skupił się na galaktykach eliptycznych, ponieważ jest mało prawdopodobne, aby supermasywne czarne dziury w centrach tych galaktykach rosły w inny sposób, na przykład poprzez pochłanianie pobliskich gwiazd i gazu.
Mierząc, jak masy czarnych dziur w centrach galaktyk eliptycznych sprzed miliardów lat mają się do tych obecnych, Farrah i współautorzy określili siłę sprzężenia między masą czarnej dziury a rozszerzaniem się Wszechświata. Tradycyjnie opisywane czarne dziury zawierające osobliwości miałyby siłę sprzężenia równą 0, podczas gdy czarne dziury wykorzystujące energię próżni miałyby siłę sprzężenia równą 3. Ostatecznie zespół stwierdził, że siła sprzężenia wynosi 3,11 i wykluczył możliwość zerowego sprzężenia przy 99,98% pewności. To odkrycie może stanowić dowód, że czarne dziury wypełnionej energią próżni rzeczywiście zyskują masę w miarę rozszerzania się Wszechświata.
Ciemna energia, rozświetlona
Co to znaczy, że wzrost czarnej dziury jest powiązany z rozszerzaniem się Wszechświata? Pewne wielkości fizyczne muszą być zachowane, ponieważ czarne dziury zyskują masę, w wyniku czego wzrost czarnych dziur wytwarza ciśnienie, które z kolei napędza przyspieszenie rozszerzania się Wszechświata. Innymi słowy, czarne dziury, które rosną wraz z rozszerzaniem się Wszechświata, są źródłem ciemnej energii, od dawna poszukiwanym składnikiem naszych modeli kosmosu.
Farrah i współpracownicy przeprowadzili dodatkowe modelowanie, pokazując, że oczekiwana populacja czarnych dziur wykorzystujących energię próżni może odpowiadać za gęstość ciemnej energii zmierzonej wcześniej przez satelitę Planck – zatem czarne dziury wykorzystujące energię próżni generują właśnie taką ilość ciemnej energii, którą mierzymy! Miejmy nadzieję, że następne kilka miesięcy lub lat przyniesie więcej badań na ten temat i poszerzy nasze zrozumienie fundamentalnej fizyki naszego Wszechświata.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Black Holes as the Source of Dark Energy
- Observational Evidence for Cosmological Coupling of Black Holes and its Implications for an Astrophysical Source of Dark Energy
Źródło: AAS
Na ilustracji: Wizualizacja dysku akrecyjnego wokół czarnej dziury. Źródło: NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman
