Черные дыры: за счет чего может расширяться Вселенная?

Анализируя существующие данные, охватывающие 9 миллиардов лет, авторы работ обнаружили первое свидетельство существования космологического взаимодействия связи недавно предсказанного явления в теории гравитации Эйнштейна, возможного только тогда, когда черные дыры находятся внутри эволюционирующей Вселенной.

Черные дыры трудно наблюдать в течение длительного времени. Наблюдения могут производиться в течение нескольких секунд или, самое большее, десятков лет - этого времени недостаточно, чтобы определить, как черная дыра может измениться за время жизни Вселенной. Увидеть, как черные дыры меняются в масштабе миллиардов лет, - еще более сложная задача.

Поскольку продолжительность жизни галактик насчитывает миллиарды лет, а большинство из них содержит сверхмассивную черную дыру, исследователи сделали вывод, что и выбор правильных типов галактик для анализа очень важен. Они решили сосредоточиться только на черных дырах в пассивно развивающихся эллиптических галактиках.

Эллиптические галактики огромны и образовались очень давно. Астрономы считают их конечным результатом столкновений галактик-гигантов с более чем триллионами старых звезд. Между этими звездами осталось очень мало газа, то есть нет «пищи» для черных дыр. Таким образом, изменения масс черных дыр в эллиптических галактиках, в которых не было недавней активности, не могут быть запросто вызваны известными процессами.

Далее астрофизики изучили, как изменилась масса выбранных центральных черных дыр за последние 9 миллиардов лет. Если бы рост черных дыр происходил только за счет аккреции или слияния, то их массы сильно бы не изменились. Но если черные дыры набирают массу, соединяясь с расширяющейся Вселенной, то пассивно развивающиеся эллиптические галактики могут дать больше информации про это явление.

Исследователи также обнаружили, что чем дальше они погружались в прошлое, тем меньше были массы черных дыр по сравнению с сегодняшними. Эти изменения были значительными: нынешние черные дыры в 7-20 раз больше, чем 9 миллиардов лет назад - этого достаточно, чтобы сделать вывод, что причиной могло стать космологическое взаимодействие.

Можно представить парную черную дыру как резиновую ленту, растягивающуюся вместе со Вселенной по мере ее расширения. Когда она растягивается, ее энергия увеличивается, а согласно уравнению Эйнштейна, масса черной дыры тоже растет. Ее рост, в свою очередь, зависит от силы связи. Чем жестче резинка, тем труднее ее растянуть, а значит, больше энергии требуется при растяжении.

Команда исследовала пять разных популяций черных дыр в трех коллекциях эллиптических галактик, взятых из того времени, когда Вселенная была примерно в половину и в одну треть меньше своего нынешнего размера. Выяснилось, что все черные дыры во Вселенной в совокупности дают почти постоянную плотность темной энергии, как и предполагают ее измерения.

Но достаточно ли черных дыр, чтобы составлять 70% энергии во Вселенной? Используя самые последние измерения скорости раннего звездообразования, полученные космическим телескопом Джеймса Уэбба, команда ученых обнаружила, что эти цифры совпадают с результатами их исследования.

Данные работы обеспечивают основу для дальнейших испытаний физиков-теоретиков и астрономов, а также для актуальных экспериментов с темной энергией. Если космологическая связь подтвердится, это будет означать, что черные дыры никогда полностью не отделяются от нашей Вселенной и продолжают оказывать большое влияние на ее эволюцию в далеком будущем.

Вопрос о природе темной энергии - это, пожалуй, самый важный нерешенный вопрос в современной физике.