Czarne dziury jako źródło ciemnej energii
Co czarne dziury mają wspólnego z ciemną energią? Nowe badania sugerują, że oba te zjawiska mogą być nierozerwalnie związane, potencjalnie rozwiązując długoletnią zagadkę natury ciemnej energii.
Wizualizacja dysku akrecyjnego wokół czarnej dziury.
Źródło: NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman
Wiele modeli czarnych dziur
Kiedy masywna gwiazda kończy swoje życie, zapada się do postaci czarnej dziury, tworząc studnię w czasoprzestrzeni tak głęboką, że nawet światło nie może się z niej wydostać. Chociaż nasze zrozumienie czarnych dziur wzrosło z biegiem czasu, nadal wiele o nich nie wiemy i polegamy na modelach matematycznych, aby dowiedzieć się więcej i dokonać przewidywań, które możemy przetestować. Najpopularniejszy model przewiduje wirującą czarną dziurę zawierającą osobliwość – punkt hipotetycznie nieskończenie zakrzywionej czasoprzestrzeni, w którym załamują się nasze równania opisujące grawitację – ukrytą przez horyzont zdarzeń czarnej dziury.
Jednak powszechny model czarnej dziury pozostaje w sprzeczności z ogólną ekspansją Wszechświata, co skłoniło niektórych naukowców do zaproponowania alternatywnych modeli. W jednym z takich modeli czarne dziury nie zawierają osobliwości, lecz są wypełnione energią próżni. Te czarne dziury z energią próżni są intrygujące, ponieważ ich wzrost jest połączony z rozszerzaniem się Wszechświata: w miarę jak Wszechświat się rozszerza, te czarne dziury zyskują masę.
Czy czarne dziury zyskują masę w miarę rozszerzania się Wszechświata?
W artykule opublikowanym 15 lutego 2023 roku Duncan Farrah (Uniwersytet Hawajski) i jego współpracownicy przetestowali ten model czarnej dziury, badając wzrost supermasywnych czarnych dziur na przestrzeni miliardów lat. Zespół badał galaktyki eliptyczne, ponieważ jest mało prawdopodobne, aby centralne supermasywne czarne dziury w tych galaktykach rosły w inny sposób, na przykład poprzez pochłanianie pobliskich gwiazd i gazu.
Mierząc, jak masy czarnych dziur w centrach galaktyk eliptycznych sprzed miliardów lat mają się do tych obecnych, Farrah i współautorzy określili siłę sprzężenia między masą czarnej dziury a rozszerzaniem się Wszechświata. Tradycyjne czarne dziury zawierające osobliwości miałyby siłę sprzężenia równą 0, podczas gdy czarne dziury wykorzystujące energię próżni miałyby siłę sprzężenia równą 3. Ostatecznie zespół stwierdził, że siła sprzężenia wynosi 3,11 i wykluczył możliwość zerowego sprzężenia przy 99,98% pewności. To odkrycie wspiera model czarnej dziury i sugeruje, że czarne dziury wypełnionej energią próżni rzeczywiście zyskują masę w miarę rozszerzania się Wszechświata.
Ciemna energia, rozświetlona
Co to znaczy, że wzrost czarnej dziury jest powiązany z rozszerzaniem się Wszechświata? Pewne wielkości fizyczne muszą być zachowane, ponieważ czarne dziury zyskują masę, w wyniku czego wzrost czarnych dziur wytwarza ciśnienie, które napędza przyspieszenie rozszerzania się Wszechświata. Innymi słowy, czarne dziury, które rosną wraz z rozszerzaniem się Wszechświata, są źródłem ciemnej energii, od dawna poszukiwanym składnikiem naszych modeli kosmosu.
Farrah i współpracownicy przeprowadzili dodatkowe modelowanie, pokazując, że oczekiwana populacja czarnych dziur wykorzystujących energię próżni może odpowiadać za gęstość ciemnej energii zmierzonej wcześniej przez satelitę Planck – więc czarne dziury wykorzystujące energię próżni nie tylko generują ciemną energię, ale generują taką samą ilość ciemnej energii, którą mierzymy! Miejmy nadzieję, że następne kilka miesięcy lub lat przyniosą więcej badań na ten temat, poszerzając nasze zrozumienie fundamentalnej fizyki naszego Wszechświata.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
