Черные дыры: за счет чего может расширяться Вселенная?

Исследования, вышедшие в The Astrophysical Journal и Astrophysical Journal Letters, могут, наконец, дать ответ на одну из самых сложных загадок астрофизики. При этом ученым не нужно будет добавлять новые данные к ныне существующим моделям. Физики предполагают, что черные дыры могут содержать странную форму энергии, ускоряющую расширение Вселенной.

Анализируя существующие данные, охватывающие 9 миллиардов лет, авторы работ обнаружили первое свидетельство существования космологического взаимодействия связи недавно предсказанного явления в теории гравитации Эйнштейна, возможного только тогда, когда черные дыры находятся внутри эволюционирующей Вселенной.

Черные дыры трудно наблюдать в течение длительного времени. Наблюдения могут производиться в течение нескольких секунд или, самое большее, десятков лет — этого времени недостаточно, чтобы определить, как черная дыра может измениться за время жизни Вселенной. Увидеть, как черные дыры меняются в масштабе миллиардов лет, — еще более сложная задача.

Поскольку продолжительность жизни галактик насчитывает миллиарды лет, а большинство из них содержит сверхмассивную черную дыру, исследователи сделали вывод, что и выбор правильных типов галактик для анализа очень важен. Они решили сосредоточиться только на черных дырах в пассивно развивающихся эллиптических галактиках.

Эллиптические галактики огромны и образовались очень давно. Астрономы считают их конечным результатом столкновений галактик-гигантов с более чем триллионами старых звезд. Между этими звездами осталось очень мало газа, то есть нет «пищи» для черных дыр. Таким образом, изменения масс черных дыр в эллиптических галактиках, в которых не было недавней активности, не могут быть запросто вызваны известными процессами. 

Далее астрофизики изучили, как изменилась масса выбранных центральных черных дыр за последние 9 миллиардов лет. Если бы рост черных дыр происходил только за счет аккреции или слияния, то их массы сильно бы не изменились. Но если черные дыры набирают массу, соединяясь с расширяющейся Вселенной, то пассивно развивающиеся эллиптические галактики могут дать больше информации про это явление.

Исследователи также обнаружили, что чем дальше они погружались в прошлое, тем меньше были массы черных дыр по сравнению с сегодняшними. Эти изменения были значительными: нынешние черные дыры в 7-20 раз больше, чем 9 миллиардов лет назад — этого достаточно, чтобы сделать вывод, что причиной могло стать космологическое взаимодействие.

Но можно ли объяснить рост черных дыр, измеренный в исследовании, только космологической связью?

Можно представить парную черную дыру как резиновую ленту, растягивающуюся вместе со Вселенной по мере ее расширения. Когда она растягивается, ее энергия увеличивается, а согласно уравнению Эйнштейна, масса черной дыры тоже растет. Ее рост, в свою очередь, зависит от силы связи. Чем жестче резинка, тем труднее ее растянуть, а значит, больше энергии требуется при растяжении. 

Поскольку рост массы черных дыр из-за космологической связи зависит от размера Вселенной, а Вселенная в прошлом была меньше, черные дыры в первом исследовании должны быть менее массивными на подходящую величину, чтобы объяснение космологической связи работало. 

Команда исследовала пять разных популяций черных дыр в трех коллекциях эллиптических галактик, взятых из того времени, когда Вселенная была примерно в половину и в одну треть меньше своего нынешнего размера. Выяснилось, что все черные дыры во Вселенной в совокупности дают почти постоянную плотность темной энергии, как и предполагают ее измерения.

Но достаточно ли черных дыр, чтобы составлять 70% энергии во Вселенной? Используя самые последние измерения скорости раннего звездообразования, полученные космическим телескопом Джеймса Уэбба, команда ученых обнаружила, что эти цифры совпадают с результатами их исследования.

Данные работы обеспечивают основу для дальнейших испытаний физиков-теоретиков и астрономов, а также для актуальных экспериментов с темной энергией. Если космологическая связь подтвердится, это будет означать, что черные дыры никогда полностью не отделяются от нашей Вселенной и продолжают оказывать большое влияние на ее эволюцию в далеком будущем.

Вопрос о природе темной энергии — это, пожалуй, самый важный нерешенный вопрос в современной физике. И теперь, возможно, есть понятие о том, откуда берется эта энергия и почему ее доля составляет именно 70%.