研究将黑洞与暗能量联系起来

根据流行的膨胀宇宙理论，大约 140 亿年前，在大爆炸之初，一种神秘的能量推动了婴儿宇宙的指数膨胀，并产生了所有已知的物质。

这种古老的能量与当前宇宙的暗能量有着相同的关键特征，至少从一种客观标准来看，暗能量是我们这个时代最大的谜团：它占宇宙的大部分(约 70%)，但科学家们并不知道它到底是什么。

“如果你问自己这个问题，‘在后来的宇宙中，我们在哪里可以看到和宇宙开始时一样强的引力?’答案就是在黑洞的中心，”密歇根大学物理学教授、研究报告的共同作者格雷戈里·塔勒 (Gregory Tarlé) 说。

“膨胀期间发生的事情可能会逆转，大质量恒星的物质在引力坍缩期间再次变成暗能量——就像一次反向的小型大爆炸。”

在《宇宙学和天体粒子物理学杂志》上发表的一项新研究中，塔尔和来自五家机构的同事利用暗能量光谱仪的最新数据强化了这种情景的论证。DESI 由 5,000 个机器人眼睛组成，安装在托霍诺奥哈姆族土地上的基特峰国家天文台的梅亚尔望远镜上。

“如果黑洞含有暗能量，它们就会与膨胀的宇宙耦合并一起增长，从而加速宇宙的增长，”该团队新研究的主要作者、亚利桑那州立大学助理研究员凯文·克罗克 (Kevin Croker) 说。“我们无法获得这种情况发生的细节，但我们可以看到这种情况正在发生的证据。”

DESI 计划进行为期五年的调查，第一年的数据显示了令人着迷的证据，表明暗能量的密度随着时间的推移而增加。研究人员表示，这为暗能量是什么这一观点提供了令人信服的线索，因为这种随时间增加的情况与黑洞的数量和质量随时间增加的情况相一致。

“当我第一次参与该项目时，我非常怀疑，”论文合著者、波士顿大学物理学名誉教授史蒂夫·阿伦 (Steve Ahlen) 表示。“但在整个过程中，我都保持着开放的心态，当我们开始进行宇宙学计算时，我说，‘好吧，这是一种制造暗能量的非常好的机制。’”

DESI 带来的不同

为了寻找黑洞暗能量的证据，研究小组利用 DESI 测量了数千万个遥远星系。该仪器可以追溯数十亿年前，并收集数据，这些数据可用于精确确定宇宙膨胀的速度。反过来，这些数据可用于推断暗能量的数量随时间的变化。

研究小组将这些数据与宇宙历史上大型恒星死亡时形成的黑洞数量进行了比较。

“这两种现象是一致的——随着大质量恒星死亡时产生新的黑洞，宇宙中的暗能量以正确的方式增加，”夏威夷大学物理学副教授、这项研究的合著者邓肯·法拉说。“这使得黑洞是暗能量的来源这一说法更加可信。”

这项研究补充了越来越多研究黑洞中宇宙耦合可能性的文献。2023年的一项研究涉及本文的许多作者，该研究报告了星系中心超大质量黑洞中的宇宙耦合。2023 年的这份报告鼓励其他团队在宇宙中所有不同的地方寻找黑洞中的这种效应。

“那些论文通过黑洞的生长速度研究了暗能量与黑洞之间的联系。我们的新论文则通过黑洞的诞生时间将其与暗能量联系起来，”天体物理学家、合著者、前美国证券交易委员会总法律顾问布莱恩·卡特赖特 (Brian Cartwright) 表示。

新论文的一个关键区别是，大多数相关黑洞都比之前研究过的黑洞更年轻。这些黑洞诞生于恒星形成(追踪黑洞形成)正在进行的时代，而不是刚刚开始。

“这一现象发生在宇宙的更晚期，是通过哈勃和韦伯太空望远镜观测到的黑洞产生和成长的最新测量结果得出的结论，”论文合著者、詹姆斯·韦伯太空望远镜跨学科科学家、亚利桑那州立大学地球与太空探索教授罗吉尔·温德霍斯特 (Rogier Windhorst) 说。

“下一个问题是这些黑洞在哪里，以及它们在过去 80 亿年里是如何移动的。科学家们正在努力限制这个问题，”克罗克说。

科学需要更多的探究和观察途径，现在 DESI 已经上线，对暗能量的探索才刚刚开始。

“无论这是否继续支持黑洞假说，这都只会让我们对暗能量的理解更加深入和清晰，”阿伦说。“我认为作为一项实验努力，这是非常棒的。你可以有先入为主的观念，也可以没有，但我们的驱动力是数据和观察。”

研究小组表示，无论未来的观测结果如何，现在正在进行的工作代表着暗能量研究的重大变化。

“从根本上讲，黑洞是否是与其所在宇宙耦合的暗能量，已经不再只是一个理论问题，”塔尔莱说。“现在这是一个实验问题。”