科学家首次发现黑洞是暗能量来源的证据
NGC524: NGC 524是双鱼座的一个透镜状星系。它距离地球大约9000万光年。Credit: ESA/Hubble
（神秘的地球uux.cn）据美国物理学家组织网（by RAL Space）：对星系中心超大质量黑洞的观察指出了一个可能的暗能量来源——宇宙中“失踪”的70%。
对古老和休眠星系的测量显示，黑洞比预期增长得更快，这与爱因斯坦引力理论中预测的现象一致。这一结果可能意味着我们的宇宙图景中不需要添加任何新的东西来解释暗能量:黑洞和爱因斯坦引力是暗能量的来源。
这一结论是由来自9个国家的17名研究人员组成的团队得出的，该团队由夏威夷大学领导，成员包括伦敦帝国理工学院和STFC·RAL空间物理学家。这项工作发表在《天体物理学杂志》和《天体物理学杂志快报》的两篇论文中。
该研究的合著者，来自帝国理工大学物理系的戴夫·克莱门茨博士说:“这真是一个令人惊讶的结果。我们开始研究黑洞如何随时间增长，可能已经找到了宇宙学中最大问题之一的答案。”
来自STFC RAL空间的研究合著者克里斯·皮尔森博士说:“如果理论成立，那么这将彻底改变整个宇宙学，因为我们终于找到了困扰宇宙学家和理论物理学家20多年的暗能量起源的解决方案。”
重力对暗能量
在20世纪90年代，人们发现宇宙的膨胀正在加速——一切都在以越来越快的速度远离其他一切。这很难解释——宇宙中所有物体之间的引力应该会减缓膨胀。
为了解释这一点，有人提出“暗能量”比重力更能推动物体分离。这与爱因斯坦提出但后来放弃的一个概念有关——一个“宇宙常数”,它对抗重力，使宇宙免于崩溃。
随着宇宙加速膨胀的发现，这个概念又复活了，其主要成分是时空本身所包含的一种能量，称为真空能。这种能量推动宇宙进一步分离，加速膨胀。
然而，黑洞提出了一个问题——它们极其强大的引力很难反对，特别是在它们的中心，在那里一切似乎都在一种被称为“奇点”的现象中崩溃
新的结果表明，黑洞获得质量的方式与它们包含真空能量的方式一致，提供了暗能量的来源，并消除了在其中心形成奇点的需要。
黑洞成长的烦恼
这个结论是通过研究90亿年的黑洞演化得出的。黑洞是在大质量恒星走到生命尽头时形成的。当在星系中心发现时，它们被称为超大质量黑洞。它们在一个相对较小的空间内包含了数百万到数十亿倍于我们太阳质量的物质，产生了极强的引力。
黑洞可以通过吸积物质来增加大小，例如通过吞噬靠得太近的恒星，或者通过与其他黑洞合并。为了发现这些效应是否可以单独解释超大质量黑洞的增长，该团队查看了跨越90亿年的数据。
NGC 1316(也被称为天炉座A)是一个透镜星系，位于天炉座，距离我们大约6000万光年。Credit: NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
研究人员观察了一种特殊类型的星系，称为巨型椭圆星系，它在宇宙早期演化，然后进入休眠状态。休眠星系已经完成了恒星的形成，为中心的黑洞吸积留下了很少的物质，这意味着任何进一步的增长都无法用这些正常的天体物理过程来解释。
对遥远星系(年轻时)和本地椭圆星系(年老和死亡)的观察比较显示，增长比吸积或合并预测的要大得多:今天的黑洞比90亿年前大7-20倍。
通过比较古代椭圆星系的5个不同集合中的黑洞和今天椭圆星系中的黑洞来测量耦合强度k。测量值聚集在k = 3附近，这意味着黑洞包含真空能量，而不是奇点。Credit: Farrah, et al. 2023 [the ApJ Letter]
宇宙耦合
在宇宙演化的不同阶段，对相关星系群体的进一步测量显示，宇宙的大小和黑洞的质量之间有很好的一致性。这些表明宇宙中暗能量的测量值可以用黑洞真空能量来解释。
这是第一个观测证据，表明黑洞实际上包含真空能量，并且它们与宇宙的膨胀“耦合”，随着宇宙的膨胀质量增加——这种现象被称为“宇宙耦合”如果进一步的观测证实了这一点，宇宙耦合将重新定义我们对黑洞的理解。
这项研究的第一作者、夏威夷大学天文学家、前帝国理工学院博士生邓肯·法拉说:“我们实际上是在同时说两件事:有证据表明，典型的黑洞解决方案在很长很长的时间尺度内对你不起作用，我们有了第一个提出的暗能量的天体物理来源。”
“然而，这意味着，其他人并没有提出暗能量的来源，但这是第一篇我们没有向宇宙添加任何新东西作为暗能量来源的观察论文:爱因斯坦引力理论中的黑洞是暗能量。”
