Источником темной энергии могут быть черные дыры

Соавтор исследования Дэйв Клементс говорит: «Мы изучали, как растут черные дыры, и, возможно, нашли ответ на одну из самых больших проблем космологии».

В 1990-х годах было обнаружено, что расширение Вселенной ускоряется. Пространство-время раздвигается все быстрее. Это трудно объяснить, поскольку силы притяжения (гравитация) между любыми объектами во Вселенной должно расширение замедлять.

Чтобы объяснить это надежно наблюдаемое явление, было высказано предположение, что существует некая «темная энергия»: она раздвигает вещи сильнее, чем гравитация их сближает. Это решение связано с концепцией, предложенной Эйнштейном, но потом им же отвергнутой отвергнутой, — с так называемой «космологической постоянной». Эйнштейн первоначально полагал, что космологическая постоянная характеризует некоторые «силы», которые противодействуют гравитации и удерживают Вселенную от коллапса. В стационарной модели Эйнштейна иначе было трудно объяснить, почему же Вселенная не схлопнулась в точку. Но когда стало ясно, что Вселенная расширяется (то есть, она не стационарна) необходимость в космологической постоянной отпала.

Но концепция была возрождена с открытием ускоряющегося расширения Вселенной. Космологи решили, что космологическая постоянная все-таки должна входить в уравнения Эйнштейна. Она описывает энергию, которая раздвигает не вещи, а само пространство-время. Это так называемая энергия вакуума или «темная энергия». Она-то и ускоряет расширение Вселенной.

Черные дыры образуются, когда массивные звезды коллапсируют в конце своей эволюции. Когда они находятся в центрах галактик, их называют сверхмассивными черными дырами. Их масса в миллионы или миллиарды раз больше массы Солнца. Они сравнительно небольших размеров и создают чрезвычайно сильную гравитацию.

Черные дыры могут увеличиваться в размерах, поглощая вещество, например, звезды, которые подходят слишком близко, или сливаясь с другими черными дырами. Астрофизики попытались оценить, могут ли только эти эффекты объяснить рост сверхмассивных черных дыр за девять миллиардов лет до того размера, который мы видим сегодня.

Исследователи рассмотрели особый тип галактик, так называемые гигантские эллиптические галактики, которые активно эволюционировали на ранней стадии развития Вселенной, а затем «уснули». В спящих галактиках практически остановилось формирование звезд и осталось мало материала, который могла быть поглотить центральная черная дыра. А это означает, что дальнейший рост этих черных дыр не может быть объяснен известными процессами.

Сравнение далеких эллиптических галактик (а тогда они были молодыми и активны) с близкими (когда они уже «уснули») показало гораздо больший рост центральных черных дыр, чем можно было ожидать, если бы рост продолжался только за счет поглощений и слияний: современные черные дыры в 7—20 раз больше, чем были девять миллиардов лет назад.

Измерения различных популяций галактик в разные моменты эволюции Вселенной показывают хорошее соответствие между размером Вселенной и массой черных дыр. Наблюдения показывают, что измеренное количество темной энергии во Вселенной можно объяснить энергией вакуума черных дыр.

Это первое наблюдательное свидетельство того, что черные дыры на самом деле содержат энергию вакуума, и что они «связаны» с расширением Вселенной: масса черных дыр растет по мере расширения Вселенной — явление, которое было названо «космологической связью».

Первый автор исследования Дункан Фарра говорит: «Мы видим, что типичные решения для черных дыр не работают в большом временном масштабе, но у нас есть первый предполагаемый астрофизический источник темной энергии. Это первая наблюдательная, а не чисто теоретическая работа, в которой мы не добавляем ничего нового во Вселенную в качестве источника темной энергии: черные дыры в эйнштейновской гравитации — это темная энергия».