第一个将黑洞与暗能量联系起来的观测证据

通过搜索跨越 90 亿年的现有数据，由夏威夷大学马诺阿分校的科学家领导的一组研究人员发现了“宇宙学耦合”的第一个证据——这是爱因斯坦引力理论中新预测的一种现象，只有当黑洞被放置时才有可能发生在一个不断发展的宇宙中。

天体物理学家邓肯·法拉(Duncan Farrah)和凯文·克罗克 ( Kevin Croker)领导了这项雄心勃勃的研究，将夏威夷在星系演化和引力理论方面的专业知识与九个国家/地区研究人员的观察和分析经验相结合，首次深入了解真正的黑洞内部可能存在什么。

“当 LIGO 在 2015 年底听到第一对黑洞合并时，一切都变了，”克罗克说。“该信号与纸面上的预测非常吻合，但将这些预测扩展到数百万年或数十亿年?将黑洞模型与我们不断膨胀的宇宙相匹配?完全不清楚如何做到这一点。”

该团队最近发表了两篇论文，一篇发表在《天体物理学杂志》上，另一篇发表在《天体物理学杂志快报》上，研究了古老和休眠星系中心的超大质量黑洞。

第一篇论文发现，这些黑洞在数十亿年中以一种无法用标准星系和黑洞过程(例如气体合并或吸积)轻易解释的方式增加质量。

第二篇论文发现，这些黑洞质量的增长与黑洞的预测相符，黑洞不仅在宇宙学上耦合，而且还包含真空能量——在不破坏爱因斯坦方程的情况下尽可能多地挤压物质而产生的物质，从​​而避免了奇点。

在奇点不存在的情况下，该论文随后表明，宇宙第一批恒星死亡时产生的黑洞真空能量组合与我们宇宙中测得的暗能量数量一致。

“我们真的同时在说两件事：有证据表明，典型的黑洞解决方案在很长很长的时间尺度上都不适合你，而且我们已经提出了第一个暗能量的天体物理来源，”负责人 Farrah 说。两篇论文的作者。

“这意味着，虽然，并不是说其他​​人没有提出暗能量的来源，而是这是第一篇我们没有向宇宙添加任何新事物作为暗能量来源的观察论文：爱因斯坦黑洞中的黑洞引力理论是暗能量。

这些新的测量结果，如果得到进一步证据的支持，将重新定义我们对黑洞是什么的理解。

九十亿年前

在第一项研究中，该团队确定了如何使用现有的黑洞测量来寻找宇宙学耦合。

“我对这个项目的兴趣真的源于一种普遍的兴趣，即试图确定支持黑洞模型的观测证据，无论你观察它们多久，它都有效，”法拉说。“总的来说，这是一件非常非常困难的事情，因为黑洞非常小，很难直接观察到，而且距离很远。”

黑洞也很难在长时间尺度上观察到。观察可以在几秒钟或最多几十年内完成——没有足够的时间来检测黑洞在整个宇宙的生命周期中可能发生的变化。观察黑洞如何在数十亿年的时间范围内发生变化是一项更大的任务。

“你必须确定黑洞的种群并确定它们在数十亿年前的质量分布。然后你必须在今天看到相同的种群或祖先相关的种群，并再次能够测量它们的质量， ”共同作者、密歇根大学物理学家 Gregory Tarlé 说。“这真的很难做到。”

由于星系的寿命可达数十亿年，而且大多数星系都包含一个超大质量黑洞，因此​​该团队意识到星系是关键所在，但选择正确类型的星系至关重要。

“在文献中测量到的星系中黑洞有许多不同的行为，实际上并没有达成任何共识，”该研究的合著者、西北研究协会的星系专家萨拉佩蒂说。“我们决定，通过只关注被动演化的椭圆星系中的黑洞，我们可以帮助解决这个问题。”

椭圆星系巨大且形成时间较早。它们是星系集合的化石。天文学家认为它们是星系碰撞的最终结果，规模巨大，有数万亿颗古老的恒星。

通过只观察最近没有活动的椭圆星系，该团队可以争辩说，星系黑洞质量的任何变化都不可能轻易地由其他已知过程引起。利用这些种群，该团队随后研究了它们中心黑洞的质量在过去 90 亿年中是如何变化的。

如果黑洞的质量增长仅通过吸积或合并发生，那么这些黑洞的质量根本不会发生太大变化。然而，如果黑洞通过与膨胀的宇宙耦合而获得质量，那么这些被动演化的椭圆星系可能会揭示这种现象。

研究人员发现，他们观察的时间越早，黑洞的质量相对于今天的质量越小。这些变化很大：今天的黑洞比 90 亿年前大 7 到 20 倍——大到研究人员怀疑宇宙学耦合可能是罪魁祸首。

解锁黑洞

在第二项研究中，研究小组调查了第一项研究中测得的黑洞增长是否可以仅用宇宙学耦合来解释。

“这是一个玩具类比。你可以把耦合的黑洞想象成橡皮筋，随着宇宙的膨胀而被拉伸，”克罗克说。“当它伸展时，它的能量增加。爱因斯坦的E = mc 2 告诉你质量和能量成正比，所以黑洞质量也会增加。”

质量增加多少取决于耦合强度，研究人员将这个变量称为k。

“橡皮筋越硬，就越难拉伸，因此拉伸时的能量就越大。简而言之，这就是k，”克罗克说。

由于宇宙学耦合导致的黑洞质量增长取决于宇宙的大小，而宇宙在过去较小，因此第一项研究中的黑洞质量必须减少正确的数量才能使宇宙学耦合解释起作用.

该团队在三个不同的椭圆星系集合中检查了五个不同的黑洞种群，这些黑洞是在宇宙大约是目前大小的二分之一和三分之一时拍摄的。在每次比较中，他们测得k几乎为正值 3。

第一个观察环节

2019 年，当时的研究生 Croker 和 UH Mānoa 数学教授 Joel Weiner 预测了包含真空能量的黑洞而不是奇点的这个值。

结论意义深远：克罗克和韦纳已经表明，如果k为 3，那么宇宙中的所有黑洞共同贡献了几乎恒定的暗能量密度，就像暗能量测量表明的那样。

黑洞来自死亡的大恒星，所以如果你知道你正在制造多少颗大恒星，你就可以估计你正在制造多少黑洞以及它们因宇宙学耦合而增长了多少。该团队使用了詹姆斯韦伯太空望远镜提供的最早恒星形成率的最新测量结果，发现这些数字是一致的。

据研究人员称，他们的研究为理论物理学家和天文学家提供了进一步测试的框架，也为暗能量光谱仪和暗能量调查等当代暗能量实验提供了一个框架，以阐明这一想法。

“如果得到证实，这将是一个了不起的结果，为下一代黑洞解决方案指明了方向，”法拉说。

克罗克补充说：“这种测量解释了为什么宇宙现在正在加速，让我们得以一瞥爱因斯坦引力的真实强度。遍布整个宇宙的微小声音合唱可以共同引导整个宇宙。这有多酷? “