Obserwacje supermasywnych czarnych dziur w centrach galaktyk wskazują na prawdopodobne źródło ciemnej energii – „brakującego” 70% wszechświata.

Pomiary starożytnych i uśpionych galaktyk pokazują, że czarne dziury rosną bardziej niż oczekiwano, zgodnie ze zjawiskiem przewidzianym przez teorię grawitacji Einsteina. Wynik potencjalnie oznacza, że ​​nie trzeba dodawać nic nowego do naszego obrazu wszechświata, aby wyjaśnić ciemną energię: źródłem są czarne dziury połączone z grawitacją Einsteina.

Do takiego wniosku doszła grupa 17 naukowców z 9 krajów, kierowana przez Uniwersytet Hawajski, w skład której wchodzili fizycy z Imperial College London i STFC RAL Space. Prace zostały opublikowane w dwóch artykułach w The Astrophysical Journal i The Astrophysical Journal Letters.

Zdaniem ekspertów to niesamowity wynik. Naukowcy zaczęli od przyjrzenia się, jak czarne dziury rosną w czasie i znaleźli odpowiedź na jedno z największych pytań w kosmologii. Jeśli teoria jest poprawna, zrewolucjonizuje całą kosmologię, ponieważ w końcu mamy rozwiązanie pochodzenia ciemnej energii, które wprawiało w zakłopotanie kosmologów i fizyków teoretyków od ponad 20 lat.

W latach 90tych XX wieku odkryto, że rozszerzanie się wszechświata przyspiesza – wszystko oddala się od wszystkiego w coraz szybszym tempie. Trudno to wyjaśnić - przyciąganie grawitacyjne między wszystkimi obiektami we wszechświecie powinno spowolnić ekspansję. Aby to wyjaśnić, zasugerowano, że „ciemna energia” jest bardziej odpowiedzialna za rozpychanie rzeczy niż grawitacja. Było to spowodowane koncepcją zaproponowaną przez Einsteina, ale później odrzuconą, o „stałej kosmologicznej”, która przeciwstawia się grawitacji i zapobiega zapadnięciu się wszechświata.

Koncepcja ta została wskrzeszona wraz z odkryciem przyspieszającej ekspansji Wszechświata, której głównym składnikiem jest rodzaj energii zatopionej w samej czasoprzestrzeni, zwany energią próżni. Energia ta oddala wszechświat od siebie, przyspieszając ekspansję. Jednak czarne dziury stanowiły problem – ich niezwykle silnej grawitacji trudno się oprzeć, zwłaszcza w centrach, gdzie wszystko zapada się w osobliwość.

Nowy wynik pokazuje, że czarne dziury zyskują masę w sposób, który zawiera energię próżni, zapewniając źródło ciemnej energii i eliminując potrzebę tworzenia się osobliwości w centrum. Wniosek został wyciągnięty w wyniku zbadania dziewięciu miliardów lat ewolucji czarnej dziury. 

Czarne dziury powstają, gdy masywne gwiazdy zbliżają się do końca swojego życia. Kiedy znajdują się w centrach galaktyk, nazywane są supermasywnymi czarnymi dziurami. Zawierają w sobie miliony lub miliardy mas Słońca na stosunkowo małej przestrzeni, tworząc niezwykle silną grawitację.

Czarne dziury mogą powiększać się poprzez akrecję materii, na przykład pożeranie gwiazd, które podejdą zbyt blisko, lub łączenie się z innymi czarnymi dziurami. Aby dowiedzieć się, czy same te efekty mogą wyjaśnić wzrost supermasywnych czarnych dziur, zespół przeanalizował dane z dziewięciu miliardów lat.

Naukowcy przyjrzeli się gigantycznym galaktykom eliptycznym, które ewoluowały we wczesnym Wszechświecie, a następnie przeszły w stan uśpienia. Uśpione galaktyki zakończyły formowanie się gwiazd, pozostawiając niewiele materiału do akrecji czarnej dziury w centrum, co oznacza, że ​​dalszego wzrostu nie można wytłumaczyć tymi normalnymi procesami astrofizycznymi.

Porównanie obserwacji odległych galaktyk (kiedy były młode) z lokalnymi galaktykami eliptycznymi (które są stare i martwe) wykazało znacznie więcej niż przewidywano wzrostu w wyniku akrecji lub fuzji: współczesne czarne dziury są 7-20 razy większe niż były 9 miliardów lat z powrotem.

Dalsze pomiary z pokrewnymi populacjami galaktyk w różnych punktach ewolucji Wszechświata wykazują zgodność między rozmiarem Wszechświata a masą czarnych dziur. Pokazują, że zmierzoną ilość ciemnej energii we wszechświecie można wytłumaczyć energią próżni czarnej dziury.

Jest to pierwszy dowód obserwacyjny, że czarne dziury faktycznie zawierają energię próżni i że są one „powiązane” z rozszerzaniem się Wszechświata, zwiększając swoją masę wraz z rozszerzaniem się Wszechświata – zjawisko zwane „sprzężeniem kosmologicznym”. Jeśli dalsze obserwacje to potwierdzą, kosmologiczne powiązanie zmieni nasze rozumienie, czym jest czarna dziura.