Повелителі простору. Американські вчені розкрили роль чорних дір у Всесвіті

Що з’ясували вчені про розширення Всесвіту?

«Якщо чорні діри містять темну енергію, вони можуть з'єднуватися з Всесвітом, що розширюється, і рости разом із ним, спричиняючи прискорення його зростання», — пояснює суть роботи астрофізик Кевін Кроукер з Університету штату Аризона.

За його словами, ми не можемо дізнатися подробиці того, як це відбувається, але ми бачимо свідчення того, що це відбувається.

Дослідження, в якому Крокер і його колеги пояснюють свою теорію, опубліковано в журналі Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Автори роботи констатують, що навіть не розуміючи до кінця, як і чому відбувається розширення Всесвіту, ми можемо здійснити доволі точні розрахунки, які показують, що хоч би чим була темна матерія, вона становить приблизно 70% розподілу матерії та енергії у Всесвіті.

І при цьому, те, що ми бачимо сьогодні як розширення, можливо, не завжди було послідовним.

І детальний аналіз того, як змінювалися темпи цього розширення, дав змогу вченим дійти до розуміння того, що саме є основним інструментом.

Одразу після Великого вибуху Всесвіт за частки секунди перетворився з нічого на доволі велике щось. Потім він певний час зростав відносно повільно, поки близько 5 млрд років тому в розширенні не почала переважати темна енергія.

Початковий період екстремального «роздування» Всесвіту викликає особливий інтерес. Що б не викликало первісне роздування, уповільнення і прискорення Всесвіту, воно повинно було подолати екстремальну гравітацію, укладену в космічній сумі матерії, стиснутої в одному місці.

Але далі стає тільки цікавіше.

За словами Грегорі Тарле з Мічиганського університету, одного зі співавторів роботи, варто замислитися над питанням, а де в пізньому Всесвіті ми можемо побачити таку саму сильну гравітацію, як одразу після Великого вибуху.

Відповідь буде, як то кажуть, без варіантів. Таку ж сильну гравітацію ми можемо побачити тільки в центрі чорних дір.

Тарле вважає, що чорні діри можуть бути свого роду «маленьким Великим вибухом, який рухається у зворотному напрямку». Саме це відбувається, коли матерія масивної зірки знову стає темною енергією під час гравітаційного колапсу.

Щоб підтвердити або спростувати це припущення, автори дослідження використовували спектроскопічний прилад Dark Energy Spectroscopic Instrument для вивчення швидкості утворення чорних дір унаслідок колапсу ядра масивних зірок наприкінці їхнього життя — набагато пізніше, ніж у момент утворення надмасивних чорних дір. Потім ці дані були використані для порівняння з відомими темпами розширення Всесвіту.

І з’ясувалося, що дані загалом сходяться.

Автори наводять розрахунки, згідно з якими в міру утворення нових чорних дір унаслідок загибелі масивних зірок кількість темної енергії у Всесвіті збільшувалася відповідним чином.

Це робить більш правдоподібним припущення про те, що чорні діри є джерелом темної енергії, підсумовують автори дослідження.

Зв’язок між чорними дірами і темною матерією

Протягом тривалого часу офіційна наука не бачила жодних свідчень існування зв’язку між чорними дірами і темною матерією.

Було прийнято вважати, що чорні діри — це області в космосі, де гравітація настільки сильна, що ніщо — навіть світло — не може з них вирватися. Вони утворюються із залишків масивних зірок після того, як ті вичерпали своє ядерне паливо і зруйнувалися під дією власної гравітації.

Водночас вважалося, що темна матерія являє собою гіпотетичну форму матерії, яка не випромінює, не поглинає і не відбиває світло, що робить її невидимою для сучасних методів електромагнітного спостереження. Про її існування можна судити за гравітаційним впливом на видиму матерію, випромінюванням і великомасштабною структурою Всесвіту.

Пов’язати їх воєдино ніяк не виходило. До недавнього часу.

Згідно з популярною в останні роки теорією космологічного зв’язку, чорні діри перетворюють звичайну матерію на темну енергію.

Теорія виникла на основі пропозиції, що виникла внаслідок спроб розв’язати дивацтва чорних дір за допомогою інтерпретацій загальної теорії відносності.

А що якщо екстремальні спотворення простору, які спостерігаються поблизу від чорних дір, якось пов’язані з розширенням Всесвіту? Цю теорію підтверджували спостереження про те, що зі зростанням Всесвіту зростають і чорні діри. Або — зі зростанням чорних дір зростає і Всесвіт.

Непрямим підтвердженням цієї гіпотези слугує робота групи вчених із Гавайського університету, яку було опубліковано 2023 року. Автори вивчали долі надмасивних чорних дір у центрах «мертвих» галактик, що вже вичерпали паливо, як для росту нових зірок, так і для живлення надмасивної чорної діри. І наявність розвитку цих чорних дір парадоксальним чином підтверджувала сам факт існування космологічного зв’язку.

Робота Кроукера і його колег підтверджує цей напрямок думки.

Розрахунки дослідників відтворили швидкість розширення Всесвіту, що узгоджується з поточними вимірами.

І більше того, вони дали пояснення іншій проблемі - чому ми не змогли знайти всю нормальну матерію, яка має бути у Всесвіті. Адже якщо підрахувати швидкість утворення чорних дір, то можна отримати уявлення про швидкість перетворення темної енергії, що фактично узгоджується з кількістю відсутньої «нормальної» матерії у Всесвіті.

На думку Тарле, нове дослідження має настільки переконливий вигляд, що фактично закриває питання про теоретичний зв’язок між чорними дірами і темною енергією.