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神秘暗能量從哪裡來? 新研究:可能來自巨大黑洞

【新視角看新聞】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%。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。

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,以及暗能量的來源。

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

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,而是暗能量的真空能量。

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:「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。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,這充份解釋宇宙中的暗能量。

克萊門斯表示:「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。這種沒有奇點的模型大約自1960年代就出現了,不過至今為止仍然沒有證據證明。」

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。

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。克萊門斯提到,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。

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。研究團隊推斷,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。這使得研究人員相信,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,假設團隊所觀察到的黑洞成長起因單純是宇宙耦合。為了假設黑洞成長原因為宇宙耦合,研究團隊分別檢測了三個橢圓星系中五個不同的黑洞群,將黑洞群回推至宇宙目前年齡的三分之一。

研究人員表明,黑洞在過去應該更小,這與宇宙膨脹有關。

而且研究團隊發現耦合的強度,和2019年曾預測過黑洞所含真空能量的值相等。

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。

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。

克萊門斯表示:「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。然而真空能量的假設是我們認識黑洞的其中一個方式,但不是唯一的方式。」

克萊門斯說:「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,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。加西亞向《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」。

加西亞還提到,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。

以上節目內容,取材自大紀元記者李宛鴻編譯報道。

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責任編輯:T so

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