Причудливый тип черной дыры может решить три космические загадки за одну

Пространство-время раздвигается. С каждой секундой Вселенная расширяется все быстрее и быстрее. Однако то, что движет этим резким ускорением, остается загадкой, о которой ученые знали и которую искали на протяжении десятилетий. Тем не менее, мы не приблизились к пониманию этого. Мы называем это темной энергией, но почти ничего не знаем о том, что это такое и откуда она берется. Тем не менее, она составляет около 68 процентов Вселенной.

Однако было бы разумно предположить, что эта загадка не имеет ничего общего с черными дырами: чудовищами настолько мощной гравитации, что, если что-то протянется за определенную точку, оно уже никогда не сможет ускользнуть. Они притягивают к себе материю, так как же они могут управлять расширением Вселенной? Однако именно это предполагает небольшая группа астрофизиков.

История звучит так: вся материя, попадающая в черные дыры, проходит через процесс, превращающий ее в своего рода излучение. Это, в свою очередь, оказывает воздействие на пространство вокруг себя. Такой эффект был бы слишком мал, чтобы его можно было заметить в ближайшем окружении, но если сложить вместе все черные дыры во Вселенной, он начнет нарастать до чего-то, что могло бы неумолимо отталкивать все от всего остального.

Эта дикая идея зародилась на периферии и на протяжении десятилетий появлялась во многих итерациях. Но в последние несколько лет на него обращают внимание все больше и больше космологов – поскольку оказывается, что он предлагает потенциальное объяснение не одной, не двум, а трем загадкам Вселенной. «Это больше не маргинал», — говорит Кевин Крокеркосмолог из Университета штата Аризона. «Это весьма спорно, но это не маргинал».

Черные дыры позиционируют себя как потенциальный источник темной энергии именно потому, что они вызывают недоумение. “Большинство структур во Вселенной, таких как галактики и скопления, очень мало влияют на темную энергию. Но всегда было одно возможное исключение”, – говорит Ниайеш Афшордикосмолог из Университета Ватерлоо в Канаде. «Черные дыры [after all] гораздо более загадочны, чем все остальное».

Сингулярность черной дыры

Все сводится к точке в центре черной дыры, где гравитация настолько сильна, что материя сжимается до бесконечной плотности. Известный как астрофизический сингулярностьэто всегда рассматривалось как своего рода заполнитель для физики, которую мы еще не понимаем. «Никто не верит в сингулярность», — говорит Грегори Тарлекосмолог и астрофизик из Мичиганского университета, который является выдающейся фигурой в изучении этих космологически связанных черных дыр, названных так потому, что они связаны с крупномасштабным поведением космоса. На самом деле, говорит он, что-то препятствует образованию сингулярности. «Что остановит это, так это то, что материя, вызвавшая этот коллапс, каким-то образом превратится в темную энергию».

Никто точно не знает, как это произойдет. Но Тарле сравнивает это с самыми ранними моментами существования Вселенной, когда все представляло собой горячий суп из радиации. Через несколько мгновений после Большого взрыва космос остыл, и большая часть этого излучения объединилась в материю. Внутри космологически связанных черных дыр этот процесс будет происходить в обратном порядке. Однако это не повлияет на их гравитационное притяжение, которое основано на плотности энергии, а не на материи.

«Если вы попытаетесь понять, как отдельная частица пыли может превратиться в радиацию, это неизвестно», — говорит Массимилиано Ринальдифизик и космолог из Университета Тренто в Италии. «Но мы предполагаем, что это может произойти — это преобразование не так безумно, как кажется».

Эта статья является частью нашего специального выпуска о кризисе в космологии.
Ознакомьтесь с полным пакетом здесь

Долгое время существовало мнение, что черные дыры могут влиять только на свое непосредственное окружение. «Идея заключалась в следующем: «то, что происходит в Вегасе, остается в Вегасе», но это неправда», — говорит Крокер, один из пионеров концепции космологически связанных черных дыр. “Людям нравится приводить аргументы о причинно-следственной связи: почему эта штука здесь может влиять на вещи, которые находятся так далеко? Но это не просто одна из них, это их масса, и они повсюду. Это совокупный эффект”.

Если вы бросите кучу материи в одну космологически связанную черную дыру, это может не повлиять на космос в целом, говорит он. С другой стороны, если бы у вас был парк космических самосвалов, заливающих материю в эти черные дыры по всей Вселенной, вы могли бы ускорить ее расширение. Это немного похоже на воздушный шар, наполненный множеством маленьких шариков: надувайте меньшие, и большой тоже будет вынужден расширяться. Если эти черные дыры реальны, то как популяция они должны быть неразрывно связаны с общей структурой космоса.

Доказательства существования космологически связанных черных дыр

И это еще не все теоретически. Первое свидетельство того, что черные дыры могут быть космологически связаны, появилось в 2023 году, когда Крокер, Тарле и их коллеги открыли, что маленькие воздушные шары действительно расширяются: черные дыры по всей Вселенной кажется, растут с неожиданно высокой скоростью. Даже то, что Крокер называет «максимально скучными» сверхмассивными черными дырами, которые вообще едва должны расти, идут в ногу с расширением Вселенной. «Это был первый раз, когда мы увидели нечто важное, в котором говорилось, что, как только черные дыры образуются, они создают темную энергию, а затем [dark] энергия растет по мере расширения Вселенной», — говорит Тарле.

Возможно, самое большое возражение против этой гипотезы заключается в том, что мы понятия не имеем, как будут выглядеть космологически связанные черные дыры и как именно они будут себя вести. «Проблема в том, что у нас нет математически точного решения, описывающего эти объекты — у нас есть среднее значение», — говорит Ринальди. Без этого решения невозможно сказать, например, будет ли поведение космологически связанных черных дыр при их слиянии соответствовать нашим наблюдениям за этим процессом. «Задача очень, очень сложная, потому что уравнения ужасны, но в какой-то момент может произойти прорыв – просто нужно время», – говорит он.

За несколько лет, прошедших с момента первой разработки этой идеи, время и интенсивные исследования превратили ее из того, что отвергалось многими серьезными космологами, в то, что, по крайней мере, считается правдоподобным. Одна из причин этого заключается в том, что оно, по-видимому, совпадает с некоторыми загадочные последние результаты из Спектроскопического прибора темной энергии (DESI) в Аризоне.

Результаты DESI

DESI измеряет расположение миллионов галактик во Вселенной, создавая точную карту того, как расстояния между ними менялись в ходе космической истории. Эти расстояния позволяют нам рассчитать, насколько быстро Вселенная расширялась в разные эпохи. И в течение последних двух лет были обнародованы первые результаты. Они предполагают, что темная энергия может со временем ослабеватьчто стало настоящей бомбой: стандартная модель космологии требует, чтобы темная энергия была постоянной. «Когда мы впервые увидели данные, у нас отвисли рты», — говорит Тарле. «Было совершенно ясно, что темная энергия меняется со временем».

Но если эффекты темной энергии возникают в результате космологического взаимодействия с черными дырами, результаты DESI имеют смысл. Формирование черных дыр следует той же тенденции, что и звездообразование, которое достигло пика около 10 миллиардов лет назад и с тех пор неуклонно замедляется. Это не только объясните уменьшение Количество темной энергии, на которое намекает DESI, также поможет объяснить еще одну важную космическую загадку.

Напряжение Хаббла относится к несоответствию между двумя основными способами расчета расширения Вселенной: один основан на измерениях относительно близких объектов, а другой основан на использовании стандартной модели космологии для экстраполяции вперед измерений света, оставшегося от большого взрыва. Добавление космологически связанных черных дыр в нашу модель космологии, возможно, не полностью решит эту проблему, но оно значительно ослабляет напряжение, объясняя, почему два метода дают противоречивые результаты: времена, которые они исследуют в космической истории, имели бы разные скорости расширения.

Есть несколько других предложенных объяснений Хаббловского напряжения и очевидного ослабления темной энергии, но они склонны полагаться на экзотические гипотетические явления, выходящие за рамки нашего стандартного понимания физики. «[The idea of cosmologically coupled black holes] опирается на общую теорию относительности и ни на что другое – и это плюс», – говорит Ринальди. Возможно, это удивительно, но это делает его относительно консервативным предложением в контексте этих двух проблем.

Теперь Тарле, Крокер и группа коллег добавили: еще одно доказательство к тому, что они называют «табуреткой на трех ножках» наблюдений, которые соответствуют их предсказаниям. Этот последний этап немного отличается от двух других тем, что он является загадкой физики элементарных частиц. Поведение Вселенной позволяет космологам составить бюджет содержащейся в ней массы, который затем можно использовать для расчета массы каждого типа частиц.

Это все хорошо, за исключением нейтрино, крошечных – но, что особенно важно, не безмассовых – частиц, которые настолько редко взаимодействуют с другим веществом, что их иногда называют «частицами-призраками». Принимая во внимание новые данные DESI, нейтрино должны иметь отрицательную массу, чтобы расчеты бюджета работали. Поскольку оно не должно быть отрицательным, оно должно быть равно нулю.

Но если материя внутри черных дыр превращается в темную энергию, это влияет на баланс космоса. Космологически связанные черные дыры освободили бы место в бюджете массы за счет преобразования обычной материи в темную энергию. Оказывается, они создали бы достаточную свободу действий, чтобы нейтрино имели не только положительную массу, но и массу, соответствующую экспериментальным измерениям.

Достаточно ли этих трех доказательств, чтобы полностью вывести гипотезу о космологически связанных черных дырах из холода? “Сейчас табурет для улик, который мы предложили, имеет три ножки. Мы думаем, что сможем на нем сидеть”, – говорит Крокер. «Другие люди в сообществе могут подумать, что это опасно, но я надеюсь, что в какой-то момент некоторые другие люди тоже этим воспользуются».

Это уже начало происходить. Более ранние исследования космологически связанных черных дыр проводились небольшими исследовательскими группами, в каждой из которых было всего несколько сотрудников, но последняя работа, посвященная массам нейтрино, имеет 50 соавторов.

Как всегда бывает с такого рода спорными предложениями, исследователям действительно нужны лучшие модели – в данном случае решения «ужасных» уравнений – и больше данных. Последнее, по крайней мере, ожидается. DESI все еще собирает новые данные наблюдений за галактиками, и в настоящее время проводится еще несколько крупных исследований Вселенной. «Это детективная история: есть очевидный подозреваемый, который действует очень подозрительно, и есть очевидное преступление», — говорит Афшорди. Имея три подсказки о том, что за ускоряющимся расширением Вселенной могут стоять черные дыры, все больше и больше детективов занимаются этим делом. «Но, конечно, самое сложное — установить эту связь».

Темы: