科學家:超大質量黑洞或能解釋暗能量來源

【2023年03月07日訊】(記者李宛鴻編譯報導)新研究顯示,巨大黑洞可能為暗能量及宇宙加速膨脹的起因,不過仍需進一步驗證。

暗能量是驅動著宇宙加速膨脹的一種神祕力量,約占宇宙總能量和物質的70%。然而無論物理學家、天文學家或是宇宙學家,幾乎沒有人知道暗能量究竟是什麼,以及它的來源。

有一種看法認為暗能量是「真空能量」,即存在於宇宙空間本身的能量,會使宇宙結構不斷加速分離。此速度由宇宙學常數提供,並且在愛因斯坦方程式中以希臘字母λ來表示。

暗能量的問題是,以粒子物理學為基礎而計算初的真空能量,會與利用超新星觀測得到的宇宙膨脹速度的結果嚴重不符,λ的數值比天文學家測量的要大得多。

《天文物理期刊通訊》2月發表的新論文中,研究人員提出暗能量的難題可透過與超大質量黑洞連結來解決。超大質量黑洞存在於絕大部分星系中央,其質量可超過太陽的數百萬甚至數十億倍。

大部分學說指出,這些超大質量黑洞的中心是一個奇點,也就是極大的質量被壓縮進極小的空間中。在這些奇點上,愛因斯坦廣義相對論方程式(目前為止我們對引力的最佳論述)會給出無限的數值,而物理學的基本定律將崩潰。

然而,可稱作是「宇宙學耦合」(cosmological coupling)的暗能量與超大質量黑洞之間的連結則顯示,在超大質量黑洞中心的不是奇點,而是我們所知為暗能量的真空能量。

「我們觀察發現到,近期本宇宙中星系中心的超大質量黑洞,與寄主星系的恆星質量相比,比六十至九十億年前早期宇宙類似的星系還要更重。」論文的共同作者,來自倫敦帝國學院的物理學家大衛.L.克萊門斯(David L. Clements)告訴《大眾機械》(Popular Mechanics)雜誌。「其所隱含的黑洞增長速率恰好與『宇宙學耦合』黑洞的預測相符,黑洞質量會隨著宇宙膨脹而增加。」

克萊門斯補充,這個想法與黑洞模型一致。該模型將黑洞中心以真空能量來取代奇點,這將解釋宇宙中的暗能量成分。

「與暗能量的連結來自這樣一種想法,即以真空能量充實它們,則可避開奇點這種體積無限小和密度無限大的數學難題。」克萊門斯表示。「這種沒有奇點的模型大約自1960年代就出現了,不過至今為止仍沒有證據支持它們。」

將奇點從黑洞中心去除,對物理學家來說是值得開心的,因為無限也代表著那是不完整或不準確的學說。因此,擺脫奇點也有助於證實廣義相對論是正確的引力學說。

「我們不曾預期獲得這樣的結論,這完全在我們的意料之外!」克萊門斯接著說,「觀測結果與宇宙學耦合相吻合也是一個驚喜。」

為何要將暗能量與黑洞連結?

把暗能量與超大質量黑洞連結的理由,來自兩條不同脈絡的推論。克萊門斯表示,首先,超大質量黑洞如此迅速的增加質量,無法輕易地解釋成黑洞吞噬氣體等物質,或是兩個小黑洞的合併。這意味著典型的黑洞增長原因,並不適用於時間尺度相當於整個宇宙年齡的情況下。

研究團隊藉由觀測宇宙早期所形成的安靜橢圓星系來確定這一結論,這些星系從以前到現在只有極少的變化。如果質量吸積與合併是黑洞增長唯一的途徑,那麼在相同時間範圍內,這些星系的超大質量黑洞應該也只有極小幅度的成長。他們推斷,假如星系中央的超大質量黑洞有質量的增加,那麼這可能暗示著黑洞與宇宙膨脹是有聯結的。

研究人員往更早期追溯,發現與90億年前相比,今日的黑洞質量增長了7至20倍。這使他們相信,宇宙耦合即是這些黑洞成長的關鍵所在。

團隊開始對此進行研究,假設他們所觀察到的黑洞成長起因單純是宇宙耦合。為了這個目標,他們分別檢測了三個橢圓星系中五個不同的黑洞群,將它們回推至宇宙目前年齡的三分之一。

研究人員表明,這些黑洞增加的質量涉及到它們和宇宙膨脹之間耦合的強度。因此黑洞在過去應該更小,這與宇宙膨脹有關。

它們發現耦合的強度,和2019年曾預測過黑洞所含真空能量的值相等。該論文作者先前的研究也曾提出,這個耦合的強度指向宇宙中所有的黑洞共同促成了幾乎穩定的暗能量密度。

以上是克萊門斯的第二個推論理由,也為暗能量提供了首個天體物理學來源。然而,暗能量與黑洞之間的聯結至今尚無定論。

不加入其他物理學即可解釋暗能量

由克萊門斯及其夥伴所提出的宇宙學聯結假設,其中之一的優點是:不必在宇宙中添加額外的元素。解釋暗能量和宇宙加速膨脹所需的元素,都已以黑洞形式包含在我們已知的宇宙理論當中。

這與其它的一些暗能量理論不同,因那些理論需要假設存在尚未被發現的物理學定律或宇宙特性。

「在宇宙學耦合的超大質量黑洞含有真空能量的假設下,黑洞的增長速率完美符合了我們在宇宙中看到產生λ項所需的速率。」克萊門斯表示。「然而真空能量的假設是關鍵。它是我們認識黑洞的其中一個方式,但也不是唯一的方式。」

克萊門斯認為目前仍應謹慎看待這項假設,他也立即指出,要主張這是完全解釋暗能量問題的方法仍為時太早。

「我們的發現或許提出了一項解決方案,不過還需完成更多的研究工作來確認我們的觀察,並且對觀察結果進行更多檢測,」他說。「我們的論文中還有一系列需要進一步檢測的部分,包含查看所使用的遙遠類星體樣本、高紅移類星體的質量分佈,以及測量黑洞合併率等等許多工作。」

其他物理學家則更為保守謹慎。來自哥倫比亞波哥大ECCI大學的宇宙學博士後研究員盧斯.安吉拉.加西亞(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《大眾機械》雜誌表示,由於黑洞的形成來自在生命盡頭的恆星坍陷,而將暗能量與恆星的生命週期聯結起來是「有風險的」。

她還提到,黑洞的活躍高峰期約莫在100億年前,在那之後黑洞的活躍程度急速下降。不過暗能量卻被認為在大約80億年前才開始加速宇宙膨脹。這表示將超大質量黑洞與暗能量聯結的理論,必須解釋為何黑洞的真空能量花了20億年來控制宇宙中的物質和能量。

加西亞也表明,科學家們現在應仔細研究該論文作者是如何測定耦合的強度,來評估這是否來自其它物理現象。

無論試圖證明或忽略暗能量與黑洞的連結,都將是理論物理學家之間的熱門話題。◇#

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