宇宙的历史,是⼀部膨胀的历史。⼤约138亿年前,在⼤爆炸之后,宇宙就开始不断地膨胀,越变越⼤。20世纪末,天⽂学家基于对Ia型超新星的观测发现,宇宙膨胀的速度并没有像预期那样,在引⼒的作⽤下逐渐放缓。相反,它进⼀步加速了,⼀切都在以越来越快的速度远离彼此。这也成了宇宙学最⼤的谜团之⼀。
为了解释这⼀现象,科学家引⼊了“暗能量”这个概念,根据计算,暗能量占据了宇宙总质量-能量的68%,它⽐引⼒更强,负责驱动这种加速膨胀,将⼀切不断拉开。
但实际上,“暗能量”只是⼀个模糊的名字,没有⼈说得清它本质上究竟是什么。暗能量的起源,也成了⼀个困惑了宇宙学家和理论物理学家20多年的问题。然⽽,近期⼀项对星系中⼼的超⼤质量⿊洞的观测,指向了暗能量的⼀种可能来源。
对古⽼的休眠星系的观测结果显示,那⾥的⿊洞以超过预期的⽅式增⻓,这与爱因斯坦的引⼒理论所预测的⼀种现象⼀致。这⼀结果可能意味着,我们的宇宙图景不需要增加任何新东⻄来解释暗能量:⿊洞与爱因斯坦的引⼒相结合,就是问题的源头。
这项结论是由9个国家的17名研究⼈员组成的国际团队得出的。研究结果已发表在《天体物理学杂志》和《天体物理学杂志通讯》的两篇论⽂中。
宇宙学家还完全不清楚暗能量的本质,但许多⼈提出了⾃⼰的想法。⽐如,有⼈认为,它是⼀种会根据环境变化的变⾊⻰粒⼦,甚⾄也有⼈反对暗能量的存在。但⼀种最有⼒的可能解释是,暗能量的来源其实就是宇宙学常数。1917年,爱因斯坦为了让宇宙保持静态,在⽅程中引⼊了这⼀常数。换句话说,它的主要成分源⾃真空的固有能,也就是真空能。
根据量⼦物理学,真空并不空,⽽是充满了量⼦涨落。在真空中,虚粒⼦会不断地出现,仅持续⾮常短暂的瞬间就会再次消失。真空能会将宇宙推开,加速膨胀。不过,⿊洞也带来了⼀个问题。⿊洞极强的引⼒是难以对抗的,尤其是在⿊洞的中⼼,⼀切似乎都会在⼀个被称为“奇点”的现象中坍缩。⽽新的结果显示,⿊洞获得质量的⽅式与它们包含真空能的⽅式⼀致,提供了暗能量的来源,并消除了在中⼼形成奇点的需求。
这⼀结论是通过研究90亿年的⿊洞演化过程得出的。过去的观测表明,在⼏乎所有星系的中⼼,都存在着⼀个超⼤质量⿊洞。这些⿊洞在⼀个相对较⼩的空间内,囊括了⼏百万到⼏⼗亿倍太阳质量,产⽣了极强的引⼒。⿊洞可以通过吸积物质来增⼤体积,⽐如吞噬那些过于靠近的恒星,或者与其他⿊洞并合。为了发现这些效应是否能单独解释超⼤质量⿊洞的增⻓,团队研究了跨越90亿年的数据。
研究⼈员观察了⼀种特殊类型的星系,也就是巨椭圆星系,它们的演化发⽣在宇宙早期,然后便进⼊了休眠。休眠星系已经完成了内部恒星形成的“任务”,只剩下很少的物质供中⼼的⿊洞吸积,这意味着⿊洞的任何进⼀步的增⻓都不能⽤那些常规的天体物理过程来解释。
他们将观测到的遥远星系(年轻的)和距离我们较近的椭圆星系(暮年且已“死亡”)中⼼的⿊洞进⾏⽐较后发现,今天的⿊洞⽐90亿年前要⼤7-20倍,这个增⻓⽐预测的要⼤得多,⽆法⽤吸积或并合来解释。
在宇宙演化的不同阶段,对相关星系群的进⼀步测量显示,宇宙的⼤⼩和⿊洞的质量之间具有相当明显的⼀致性。这说明,宇宙中测量到的暗能量的量,可以由⿊洞真空能来解释。
这是⾸个观测证据表明,⿊洞的确包含真空能,且它们与宇宙的膨胀“耦合”,随着宇宙的膨胀⽽增加质量,这种现象称为“宇宙学耦合”。如果这种理论被进⼀步证实,宇宙学耦合将重新定义我们对⿊洞的理解,也将彻底改变整个宇宙学,因为它将意味着科学家终于找到了⼀种解决暗能量起源的⽅法。
研究⼈员表示,这种解释可以通过更多星系观测⽽强化,或者通过观测宇宙微波背景(CMB)中的特征来加强。如果他们的发现是正确的,⿊洞将会以⼀种独特的⽅式影响宇宙的膨胀和CMB,⽽这应该是可以被探测到的。对于新的结果,研究⼈员感到⾮常惊喜,因为这是第⼀项提出爱因斯坦引⼒理论中的⿊洞就是暗能量的观测研究。或许在未来,通过研究⿊洞如何随时间增⻓,科学家可以为宇宙学中最重⼤的谜团之⼀找到更多线索。