科学家：超大质量黑洞或能解释暗能量来源

Daphane

來源:大纪元


宇宙中众多星系示意图。(Shutterstock)


【大纪元2023年03月07日讯】（大纪元记者李宛鸿编译报导）新研究显示，巨大黑洞可能为暗能量及宇宙加速膨胀的起因，不过仍需进一步验证。
暗能量是驱动着宇宙加速膨胀的一种神秘力量，约占宇宙总能量和物质的70%。然而无论物理学家、天文学家或是宇宙学家，几乎没有人知道暗能量究竟是什么，以及它的来源。
有一种看法认为暗能量是“真空能量”，即存在于宇宙空间本身的能量，会使宇宙结构不断加速分离。此速度由宇宙学常数提供，并且在爱因斯坦方程式中以希腊字母λ来表示。
暗能量的问题是，以粒子物理学为基础而计算出的真空能量，会与利用超新星观测得到的宇宙膨胀速度的结果严重不符，λ的数值比天文学家测量的要大得多。
《天文物理期刊通讯》2月发表的新论文中，研究人员提出暗能量的难题可透过与超大质量黑洞连结来解决。超大质量黑洞存在于绝大部分星系中央，其质量可超过太阳的数百万甚至数十亿倍。
大部分学说指出，这些超大质量黑洞的中心是一个奇点，也就是极大的质量被压缩进极小的空间中。在这些奇点上，爱因斯坦广义相对论方程式（目前为止我们对引力的最佳论述）会给出无限的数值，而物理学的基本定律将崩溃。
然而，可称作是“宇宙学耦合”（cosmological coupling）的暗能量与超大质量黑洞之间的连结则显示，在超大质量黑洞中心的不是奇点，而是我们所知为暗能量的真空能量。
“我们观察发现到，近期本宇宙中星系中心的超大质量黑洞，与寄主星系的恒星质量相比，比六十至九十亿年前早期宇宙类似的星系还要更重。”论文的共同作者，来自伦敦帝国学院的物理学家大卫．L．克莱门斯（David L. Clements）告诉《大众机械》（Popular Mechanics）杂志。“其所隐含的黑洞增长速率恰好与‘宇宙学耦合’黑洞的预测相符，黑洞质量会随着宇宙膨胀而增加。”
克莱门斯补充，这个想法与黑洞模型一致。该模型将黑洞中心以真空能量来取代奇点，这将解释宇宙中的暗能量成分。
“与暗能量的连结来自这样一种想法，即以真空能量充实它们，则可避开奇点这种体积无限小和密度无限大的数学难题。”克莱门斯表示。“这种没有奇点的模型大约自1960年代就出现了，不过至今为止仍没有证据支持它们。”
将奇点从黑洞中心去除，对物理学家来说是值得开心的，因为无限也代表着那是不完整或不准确的学说。因此，摆脱奇点也有助于证实广义相对论是正确的引力学说。
“我们不曾预期获得这样的结论，这完全在我们的意料之外！”克莱门斯接着说，“观测结果与宇宙学耦合相吻合也是一个惊喜。”


为何要将暗能量与黑洞连结？

把暗能量与超大质量黑洞连结的理由，来自两条不同脉络的推论。克莱门斯表示，首先，超大质量黑洞如此迅速的增加质量，无法轻易地解释成黑洞吞噬气体等物质，或是两个小黑洞的合并。这意味着典型的黑洞增长原因，并不适用于时间尺度相当于整个宇宙年龄的情况下。
研究团队藉由观测宇宙早期所形成的安静椭圆星系来确定这一结论，这些星系从以前到现在只有极少的变化。如果质量吸积与合并是黑洞增长唯一的途径，那么在相同时间范围内，这些星系的超大质量黑洞应该也只有极小幅度的成长。他们推断，假如星系中央的超大质量黑洞有质量的增加，那么这可能暗示着黑洞与宇宙膨胀是有联结的。
研究人员往更早期追溯，发现与90亿年前相比，今日的黑洞质量增长了7至20倍。这使他们相信，宇宙耦合即是这些黑洞成长的关键所在。
团队开始对此进行研究，假设他们所观察到的黑洞成长起因单纯是宇宙耦合。为了这个目标，他们分别检测了三个椭圆星系中五个不同的黑洞群，将它们回推至宇宙目前年龄的三分之一。
研究人员表明，这些黑洞增加的质量涉及到它们和宇宙膨胀之间耦合的强度。因此黑洞在过去应该更小，这与宇宙膨胀有关。
它们发现耦合的强度，和2019年曾预测过黑洞所含真空能量的值相等。该论文作者先前的研究也曾提出，这个耦合的强度指向宇宙中所有的黑洞共同促成了几乎稳定的暗能量密度。
以上是克莱门斯的第二个推论理由，也为暗能量提供了首个天体物理学来源。然而，暗能量与黑洞之间的联结至今尚无定论。


不加入其他物理学即可解释暗能量

由克莱门斯及其伙伴所提出的宇宙学联结假设，其中之一的优点是：不必在宇宙中添加额外的元素。解释暗能量和宇宙加速膨胀所需的元素，都已以黑洞形式包含在我们已知的宇宙理论当中。
这与其它的一些暗能量理论不同，因那些理论需要假设存在尚未被发现的物理学定律或宇宙特性。
“在宇宙学耦合的超大质量黑洞含有真空能量的假设下，黑洞的增长速率完美符合了我们在宇宙中看到产生λ项所需的速率。”克莱门斯表示。“然而真空能量的假设是关键。它是我们认识黑洞的其中一个方式，但也不是唯一的方式。”
克莱门斯认为目前仍应谨慎看待这项假设，他也立即指出，要主张这是完全解释暗能量问题的方法仍为时太早。
“我们的发现或许提出了一项解决方案，不过还需完成更多的研究工作来确认我们的观察，并且对观察结果进行更多检测，”他说。“我们的论文中还有一系列需要进一步检测的部分，包含查看所使用的遥远类星体样本、高红移类星体的质量分布，以及测量黑洞合并率等等许多工作。”
其他物理学家则更为保守谨慎。来自哥伦比亚波哥大ECCI大学的宇宙学博士后研究员卢斯．安吉拉．加西亚（Luz Ángela García），在其研究生涯中一直在深入探究暗能量及早期宇宙。她向《大众机械》杂志表示，由于黑洞的形成来自在生命尽头的恒星坍陷，而将暗能量与恒星的生命周期联结起来是“有风险的”。
她还提到，黑洞的活跃高峰期约莫在100亿年前，在那之后黑洞的活跃程度急速下降。不过暗能量却被认为在大约80亿年前才开始加速宇宙膨胀。这表示将超大质量黑洞与暗能量联结的理论，必须解释为何黑洞的真空能量花了20亿年来控制宇宙中的物质和能量。
加西亚也表明，科学家们现在应仔细研究该论文作者是如何测定耦合的强度，来评估这是否来自其它物理现象。
无论试图证明或忽略暗能量与黑洞的连结，都将是理论物理学家之间的热门话题。