Просматривая существующие данные, охватывающие 9 миллиардов лет космической истории, группа исследователей во главе с учеными из Гавайского университета в Маноа обнаружила первое свидетельство "космологической связи" — недавно предсказанного в теории гравитации Эйнштейна явления, возможного только тогда, когда черные дыры помещены в эволюционирующую вселенную.

Астрофизики смогли объединить опыт Гавайского университета в области эволюции галактик и теории гравитации с опытом наблюдения и анализа исследователей из девяти стран, чтобы получить первое представление о том, что может существовать внутри настоящих черных дыр.

Когда LIGO "услышал" слияние первой пары черных дыр в конце 2015 года, все изменилось. Сигнал отлично согласовывался с предсказаниями на бумаге, но распространить эти предсказания на миллионы или миллиарды лет? Сопоставить эту модель черных дыр с нашей расширяющейся Вселенной? Было совершенно непонятно, как это сделать. Команда недавно опубликовала две статьи, одну в The Astrophysical Journal, а другую в The Astrophysical Journal Letters, в которых изучались сверхмассивные черные дыры в сердцах древних и спящих галактик.

В первой статье было обнаружено, что эти черные дыры набирают массу в течение миллиардов лет, что не может быть легко объяснено стандартными процессами галактик и черных дыр, такими как слияния или аккреция газа.

Во второй статье показано, что рост массы этих черных дыр соответствует предсказаниям для черных дыр, которые не только космологически связаны, но и заключают в себе энергию вакуума — материала, который получается в результате максимально возможного сжатия материи без нарушения уравнений Эйнштейна, что позволяет избежать сингулярности.

При отсутствии сингулярностей в статье показано, что совокупная вакуумная энергия черных дыр, образовавшихся в результате гибели первых звезд во Вселенной, согласуется с измеренным количеством темной энергии в нашей Вселенной.

Первым важным открытием стало то, что чем дальше в прошлое "заглядывали" ученые, тем меньше были массы черных дыр по сравнению с их сегодняшними массами. Эти изменения были значительными: сегодня черные дыры были в 7-20 раз больше, чем 9 миллиардов лет назад — достаточно большие, чтобы исследователи подозревали, что причиной может быть космологическое взаимодействие, а не естественные процессы роста.

Во втором исследовании команда исследовала, можно ли объяснить рост черных дыр, измеренный в первом исследовании, только космологической связью. Проще представить это так: связанная черная дыра — это резиновая лента, которая растягивается вместе со Вселенной по мере ее расширения. Когда она растягивается, ее энергия увеличивается. E = mc 2 Эйнштейна говорит вам, что масса и энергия пропорциональны, поэтому масса черной дыры тоже увеличивается.

Насколько увеличивается масса, зависит от силы связи, которую исследователи называют k. Поскольку рост массы черных дыр из-за космологической связи зависит от размера Вселенной, а Вселенная была меньше в прошлом, черные дыры в первом исследовании должны быть менее массивными на правильную величину, чтобы объяснение космологической связи работало.

Команда исследовала пять разных популяций черных дыр в трех разных коллекциях эллиптических галактик, взятых из того времени, когда Вселенная была примерно в половину и в одну треть от своего нынешнего размера. В каждом сравнении они измеряли, что k был почти положительным 3.

Вывод из этого порясает своей масштабностью: если k равно 3, то все черные дыры во Вселенной в совокупности дают почти постоянную плотность темной энергии, как и предполагают измерения темной энергии!

Черные дыры происходят из мертвых больших звезд, поэтому, если вы знаете, сколько больших звезд вы создаете, вы можете оценить, сколько черных дыр вы создаете и насколько они вырастают в результате космологической связи. Команда использовала самые последние измерения скорости раннего звездообразования, полученные космическим телескопом JWST, и обнаружила, что цифры совпадают.

По словам исследователей, их работа обеспечивают основу для дальнейшего тестирования физиками-теоретиками и астрономами, а также для нынешнего поколения экспериментов с темной энергией, таких как спектроскопический прибор темной энергии и исследование темной энергии, чтобы пролить свет на эту идею.