Czarne dziury mogą być źródłem ciemnej energii

Pomiary pradawnych galaktyk eliptycznych pokazały, że czarne dziury rosną szybciej niż powinny. To skłoniło badaczy do poszukiwania przyczyn tego stanu rzeczy. Wnioski z ich badań sugerują, że supermasywne czarne dziury mogą być źródłem ciemnej energii napędzającej przyspieszającą ekspansję Wszechświata.

W sumie w badaniach wzięło udział 17 naukowców z dziewięciu krajów. - To naprawdę zaskakujący wynik. Zaczęliśmy od sprawdzenia, jak czarne dziury rosną w czasie i być może znaleźliśmy odpowiedź na jeden z największych problemów kosmologii - mówi współautor pracy, dr Dave Clements.

- Jeśli nasza teoria się utrzyma, to zrewolucjonizuje całą kosmologię. W końcu znaleźliśmy rozwiązanie dotyczące pochodzenia ciemnej energii. To problem, który wprawiał w zakłopotanie kosmologów i fizyków teoretycznych przez ponad 20 lat - dodaje kolejny współautor badania, dr Chris Pearson.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Dwa artykuł opisujące obserwacje opublikowano w czasopismach "The Astrophysical Journal" (DOI: 10.3847/1538-4357/acac2e) i "The Astrophysical Journal Letters" (DOI: 10.3847/2041-8213/acb704).

W latach 90. ubiegłego wieku naukowcy odkryli, że ekspansja Wszechświata przyspiesza. Cała materia oddala się od siebie i to w coraz szybszym tempie. Jest to zjawisko trudne do wyjaśnienia, bo przyciąganie grawitacyjne między wszystkimi obiektami we Wszechświecie powinno spowalniać ekspansję.

Z ekspansją związana jest, jak sądzą badacze, ciemna energia - hipotetyczna forma energii, która może stanowić nawet 70 proc. całkowitej energii Wszechświata. Nie jesteśmy w stanie jej bezpośredniego wykryć. Wnioskujemy o jej istnieniu dzięki obserwacjom przyśpieszającej ekspansji Wszechświata. Coś sprawia, że ​​Wszechświat rozszerza się coraz szybciej i nie potrafimy tego wytłumaczyć.

Aby wykryć ciemną energię, naukowcy zazwyczaj szukają jej interakcji grawitacyjnych z otoczeniem. Chodzi o sposób, w jaki przyciąga obiekty, a właściwie nie przeciąga, a odpycha, bo w największych skalach, efektem grawitacyjnym ciemnej energii będzie odpychanie obiektów od siebie, co przyspiesza ekspansję Wszechświata.

Ciemna energia jako siła odpowiedzialna za przyspieszanie ekspansji Wszechświata została nawet uwzględniona przez Alberta Einsteina w swoich równaniach, choć później została przez niego odrzucona. Chodziło o tzw. "stałą kosmologiczną", która przeciwstawiała się grawitacji i powstrzymywała Wszechświat przed zapadnięciem się.

Jednak problem z ciemną energią stanowiły czarne dziury. Ich niezwykle silna grawitacja jest trudna do pokonania, zwłaszcza w ich centrach. Dlatego też powstało wiele alternatywnych koncepcji czarnych dziur. Najpowszechniejsza mówi, że obiekty te z natury są niewidoczne, chyba że są częścią układu podwójnego z gwiazdą lub są otoczone dyskiem akrecyjnym. Jednak poza sytuacjami, kiedy czarne dziury pochłaniają materię, trudno je obserwować, bo czarne dziury są tak masywne, że nawet światło nie jest w stanie oprzeć się ich grawitacyjnemu uściskowi. O ich obecności astronomowie wnioskują na podstawie efektów grawitacyjnych wywieranych na otoczenie, czyli zachowania gwiazd i materii w ich najbliższym sąsiedztwie.

Nowe badania sugerują jednak, że czarne dziury mogą nie zawierać horyzontu zdarzeń ani osobliwości, ale być wypełnione rodzajem energii zawartej w samej czasoprzestrzeni, zwanej energią próżni. Energia ta odpycha obiekty od siebie, przyspieszając ekspansję.

Naukowcy opracowali nową koncepcję badając dziewięć miliardów lat ewolucji czarnych dziur. Obiekty te powstają, gdy masywne gwiazdy pod końca swojego życia zapadają się pod wpływem własnej masy. Mogą mieć masę miliony a nawet miliardy razy większą niż nasze Słońce, skupioną na stosunkowo małej przestrzeni. Wytwarza to niezwykle silną grawitację.

Czarne dziury mogą zwiększać swoje rozmiary poprzez akrecję materii, np. poprzez "połykanie" znajdujących się w pobliżu gwiazd lub poprzez łączenie się z innymi czarnymi dziurami. Aby odkryć, czy te efekty same w sobie mogą odpowiadać za wzrost supermasywnych czarnych dziur, zespół przyjrzał się danym obejmującym dziewięć miliardów lat.

Naukowcy skupili się na szczególnym rodzaju galaktyk zwanych galaktykami eliptycznymi, które rozwinęły się we wczesnym etapie formowania Wszechświata, a teraz pozostają uśpione. Oznacza to, że galaktyki zakończyły już procesy formowania gwiazd, pozostawiając niewiele materii do akrecji przez czarne dziury znajdujące się w ich centrach. Zatem dalszy wzrost czarnych dziur nie może być wyjaśniony przez akumulację znajdującej się w pobliżu materii.

Porównanie obserwacji tych odległych galaktyk z bliższymi wykazało wzrost czarnych dziur, który był znacznie większy niż można byłoby wytłumaczyć akrecją pobliskiego materiału. Czarne dziury były nawet od 7 do 20 razy większe niż ich odpowiedniki sprzed dziewięciu miliardów lat.

Jeśli jednak czarne dziury zawierają energię próżni, która jest powiązana z rozszerzaniem się Wszechświata, rosłyby szybciej, uważają badacze.

Obliczyli, że jeśli supermasywne czarne dziury w centrach galaktyk wytwarzają ciemną energię, odpowiadałoby to za większość tego, co naszym zdaniem istnieje. Gwiezdne czarne dziury w dyskach galaktycznych i prawdopodobnie aureole mogą odpowiadać za resztę.

Dalsze pomiary innych galaktyk, które znajdują się w różnych punktach ewolucji, wykazały powiązanie między wielkością Wszechświata a masą czarnych dziur. Pokazują, że zmierzoną ilość ciemnej energii we Wszechświecie można wytłumaczyć energią próżni pochodzącej z czarnej dziury.

Autorzy badań uważają, ze jest to pierwszy obserwacyjny dowód na to, że czarne dziury rzeczywiście zawierają energię próżni i że są "sprzężone" z rozszerzaniem się Wszechświata, zwiększając dzięki niemu swoją masę. Jeśli dalsze obserwacje potwierdzą doniesienie naukowców, może to zredefiniować nasze rozumienie tego, czym jest czarna dziura.

- Istnieją dowody na to, że typowe teorie dla czarnych dziur nie działają w długiej skali czasowej. Mamy też prawdopodobnie pierwsze astrofizyczne źródło ciemnej energii - mówi główny autor badań Duncan Farrah z Uniwersytetu Hawajskiego. - To pierwsza praca obserwacyjna, w której nie dodajemy niczego nowego do Wszechświata jako źródła dla ciemnej energii: czarne dziury w teorii grawitacji Einsteina są emiterami ciemnej energii - wyjaśnia naukowiec.

Źródło: Imperial College London, fot. ESA/Hubble