Чёрные дыры, образующиеся при «обратном воспроизведении Большого взрыва», могут объяснить тёмную энергию

Учёные указали на потенциальную связь между тёмной энергией и чёрными дырами. Новое исследование предполагает, что по мере того, как всё больше чёрных дыр рождалось в «небольших эпизодах обратного воспроизведения Большого взрыва» в космосе возрастом 14,6 миллиарда лет, сила тёмной энергии становилась всё более доминирующей и продолжает меняться до сих пор.

Тёмная энергия — это условное название таинственной силы, ускоряющей расширение Вселенной в нынешнюю эпоху. Она вызывает беспокойство, потому что учёные понятия не имеют, что такое тёмная энергия, при том, что она доминирует в нашей Вселенной, составляя около 70 % космического бюджета материи и энергии. Однако так было не всегда. До наступления эпохи доминирования тёмной энергии Вселенной управляли материя и гравитация. Они сумели замедлить её первоначальное расширение, вызванное Большим взрывом, до почти полной остановки. Затем, около 5 миллиардов лет назад, тёмная энергия совершила свой космический переворот, снова «ударив по газам» в процессе расширения Вселенной. Проблема в том, что никто не знает, откуда она взялась и как произошёл этот переход от доминирования материи к тёмной энергии.

Чтобы разгадать эту загадку, группа учёных задалась вопросом: где в современной Вселенной гравитация так же сильна, как в начале существования Вселенной? Ответ находится только в сердце чёрных дыр. Таким образом, команда предположила, что чёрные дыры могут быть «космически связаны» с тёмной энергией.

«Согласно гипотезе космологической связи, чёрные дыры связаны с расширяющейся Вселенной и заполнены тёмной энергией, которая растёт по мере расширения Вселенной», — рассказал Space.com член команды Грегори Тарле, профессор физики из Мичиганского университета. «Эта новая разработка даёт подтверждение тому, что космологически связанные чёрные дыры вполне могут быть тёмной энергией Вселенной».

По словам Тарле, это может быть связано с тем, что когда чёрная дыра образуется в процессе гибели и гравитационного коллапса другой чёрной дыры, это напоминает обратное воспроизведение Большого взрыва. Во время этого процесса материя массивной звезды, породившей чёрную дыру, превращается в тёмную энергию в процессе её полного гравитационного коллапса.

Если чёрные дыры содержат тёмную энергию, то, по теории команды, она может соединяться с тканью Вселенной и приводить в движение её ускоряющееся расширение. У них пока нет подробностей того, как это происходит, но есть доказательства в пользу этого предположения.

«Это новое достижение подтверждает, что космологически связанные чёрные дыры вполне могут быть тёмной энергией Вселенной», — сказал Тарле. «Вполне вероятно, что это приблизит нас к открытию истинной природы тёмной энергии. Возможно, это также приблизит нас к пониманию истинной природы чёрных дыр».

Сердце тайны лежит в сердце чёрных дыр

Команда уже во второй раз публикует исследование, посвящённое космологической связи между чёрными дырами и тёмной энергией.

«Первое исследование, которое мы опубликовали в феврале 2024 года, показало влияние расширяющейся Вселенной на рост сверхмассивных чёрных дыр в пассивно эволюционирующих эллиптических галактиках», — говорит Тарле. «Если бы все чёрные дыры росли таким образом, они могли бы в совокупности объяснить плотность тёмной энергии во Вселенной сегодня».

Для нового исследования они обратились к данным спектроскопического прибора Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI). Он состоит из 5 000 роботизированных «глаз», установленных на телескопе Mayall в Национальной обсерватории Китт-Пик. DESI исследует десятки миллионов галактик и квазаров, чтобы построить трёхмерную карту Вселенной радиусом в 11 миллиардов световых лет.

В первый год работы по пятилетней программе DESI учёные произвели фурор, предположив, что плотность тёмной энергии во Вселенной меняется.

«Обычно считается, что тёмная энергия — это свойство пространства, и поэтому её плотность однородна и постоянна. DESI только что предоставил интригующие свидетельства того, что плотность тёмной энергии не является постоянной — она меняется во времени», — сказал Тарле. «Теория сопряжения даёт возможное объяснение физического механизма этого изменения».

Команда сравнила данные DESI об изменении тёмной энергии с количеством чёрных дыр, рождённых в результате гибели массивных звёзд за всю космическую историю. Это показало, что с ростом числа чёрных дыр содержание тёмной энергии во Вселенной увеличивалось параллельно. Это означает, что связь между тёмной энергией и чёрными дырами по меньшей мере правдоподобна.

Показав изменение плотности тёмной энергии, о котором свидетельствуют данные первого года работы DESI, и которое можно объяснить чёрными дырами, образующимися из тяжёлых звёзд в период пика звёздообразования, команда получила экспериментальное подтверждение своей теории.

«Показав, как рост плотности тёмной энергии соответствует появлению и росту чёрных дыр в расширяющейся Вселенной, мы провели независимое наблюдение, дополняющее наблюдение за ростом чёрных дыр в процессе расширения Вселенной», — продолжает Тарле.

Хотя исследователь из Мичиганского университета и его коллеги пока не готовы объяснить, как связаны тёмная энергия и тёмная материя, Тарле готов высказать свои предположения.

«В самой ранней Вселенной, когда гравитация была очень сильной, некая форма тёмной энергии привела к экспоненциальному раздуванию Вселенной. В результате какого-то неизвестного процесса эта энергия превратилась в материю, из которой состоит сегодняшняя Вселенная», — объясняет Тарле. «Можно предположить, что в центре чёрных дыр, единственном месте в современной Вселенной, где гравитация так же сильна, как и во время инфляции, материя превращается в тёмную энергию в результате обратного процесса».

По словам Тарле, прелесть этой теории заключается в том, что она не только помогает объяснить тёмную энергию и то, откуда она появилась, но и помогает решить затянувшуюся проблему в науке, связанную с чёрными дырами.

В настоящее время в центре чёрных дыр, по крайней мере, в теории, существует сингулярность — точка, где уравнения теории гравитации и общей теории относительности Эйнштейна уходят в бесконечность и, таким образом, где вся физика разрушается. Космологическая связь тёмной энергии и чёрных дыр устраняет эту сингулярность.

«Наша теория имеет дополнительное преимущество — она предоставляет механизм, с помощью которого можно избежать центральной сингулярности», — добавил Тарле. «Эйнштейн никогда не верил в сингулярность в центре чёрных дыр и считал, что это является неудачей его теории».

Тарле объяснил, что эта работа может развиваться по целому ряду возможных направлений. Он добавил, что существует множество «следующих шагов», которые может предпринять команда. Среди них — посмотреть, сохранятся ли результаты, когда DESI выпустит очередной набор данных за 3 года наблюдений, которые, как ожидается, появятся в течение нескольких месяцев.

Исследователи также попытаются понять распределение космологически связанных чёрных дыр во Вселенной и поработать над изучением «внутренностей» этих чёрных дыр.

«По сути, вопрос о том, являются ли чёрные дыры тёмной энергией, связанной со Вселенной, которую они населяют, перестал быть только теоретическим», — заключил Тарле. «Теперь это экспериментальный вопрос».