Είναι οι μαύρες τρύπες η σκοτεινή ενέργεια; Can black holes really cause dark energy?

Δύο πρόσφατες δημοσιεύσεις υποστηρίζουν πως βρέθηκαν ενδείξεις στα πρατηρησιακά δεδομένα γαλαξιών ότι «μέσα στις μαύρες τρύπες ‘κρύβεται’ άφθονη σκοτεινή ενέργεια, που τροφοδοτεί τη συνεχή διαστολή του σύμπαντος. Αντί η σκοτεινή ενέργεια να είναι διάχυτη στον χωροχρόνο, όπως υποθέταμε, προτείνουν ότι αυτή δημιουργείται και παραμένει μέσα στις μαύρες τρύπες». One of the greatest mysteries in the Universe is that of the accelerated expansion of the cosmos, often described as an unknown form of energy dubbed "dark energy." While many potential explanations have been offered for why dark energy exists, no one has yet been able to calculate its value, or offer a compelling reason for why it possesses the value it does. In a brand new study put forth in February of 2023, a team of scientists put forth the idea, backed by some very suggestive evidence, that black holes might be the culprit. How does the idea stack up? Size comparison of the two black holes imaged by the Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration: M87*, at the heart of the galaxy Messier 87, and Sagittarius A* (Sgr A*), at the center of the Milky Way. Although Messier 87's black hole is easier to image because of the slow time variation, the one around the center of the Milky Way is the largest as viewed from Earth. (Credit: EHT collaboration (Acknowledgment: Lia Medeiros, xkcd))

Η απλούστερη εξήγηση για την σκοτεινή ενέργεια είναι η κοσμολογική σταθερά Λ, στην οποία αποδίδεται η παρατηρούμενη επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος (και όχι η στατικότητά του όπως λανθασμένα θεώρησε αρχικά ο Αϊνστάιν).

 

This snippet from a supercomputer simulation shows just over 1 million years of cosmic evolution between two converging cold streams of gas. In this short interval, just a little over 100 million years after the Big Bang, clumps of matter grow to possess individual stars containing tens of thousands of solar masses each in the densest regions. This could provide the needed seeds for the Universe’s earliest, most massive black holes, as well as the earliest seeds for the growth of galactic structures. But how these structures grow up is still being investigated. (Credit: M.A. Latif et al., Nature, 2022)

Δύο πρόσφατες δημοσιεύσεις υποστηρίζουν πως βρέθηκαν ενδείξεις στα πρατηρησιακά δεδομένα γαλαξιών ότι «μέσα στις μαύρες τρύπες ‘κρύβεται’ άφθονη σκοτεινή ενέργεια, που τροφοδοτεί τη συνεχή διαστολή του σύμπαντος. Αντί η σκοτεινή ενέργεια να είναι διάχυτη στον χωροχρόνο, όπως υποθέταμε, προτείνουν ότι αυτή δημιουργείται και παραμένει μέσα στις μαύρες τρύπες». Οι ερευνητές -μεταξύ των οποίων η Ευανθία Χατζημινάογλου του Ευρωπαϊκού Νοτίου Αστεροσκοπείου και ο Ανδρέας Ευσταθίου, πρύτανης του Ευρωπαϊκού Πανεπιστημίου Κύπρου – δημοσιεύουν τις δύο εργασίες τους, στο The Astrophysical Journal και στο The Astrophysical Journal Letters.

 

Artist’s impression of a supermassive black hole. Cosmological coupling allows black holes to grow in mass without consuming gas or stars. Credit: UH Manoa

Αυτό που εννοούμε με τον όρο «σκοτεινή ενέργεια» καθορίζεται από την ύπαρξη μιας συγκεκριμένης καταστατικής εξίσωσης στην οποία περιέχεται η κοσμολογική σταθερά Λ. Αν μια συλλογή από μαύρες τρύπες δεν περιγράφεται από την κατάλληλη καταστατική εξίσωση, τότε δεν μπορεί να είναι σκοτεινή ενέργεια.

From outside a black hole, all the infalling matter will emit light and is always visible, while nothing from behind the event horizon can get out. The event horizon of a rotating black hole ought to be only dependent on its mass and spin, but we have not yet figured out how (or whether) the spinning black hole has an overall impact on the expansion of the Universe: a still-unresolved question within General Relativity. (Credit: Andrew Hamilton, JILA, University of Colorado)

Οι ερευνητές κάνοντας μια νέα λεπτομερέστατη ανάλυση δεδομένων σχετικά με τους γαλαξίες που περιέχουν υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες υποστηρίζουν ότι συμβαίνει κάτι ασυνήθιστο με αυτές. Η μελέτη τους επιβεβαιώνει την γνωστή εδώ και καιρό παρατήρηση, ότι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες αναπτύσσονται πολύ γρηγορότερα από το αναμενόμενο. 

The ‘raisin bread’ model of the expanding Universe, where relative distances increase as the space (dough) expands. The farther away any two raisins are from one another, the greater the observed redshift will be by time the light is received. The redshift-distance relation predicted by the expanding Universe is borne out in observations and has been consistent with what’s been known all the way back since the 1920s. (Credit: NASA/WMAP Science Team)

Υποθέτουν λοιπόν ότι αυτή η ταχεία ανάπτυξη οφείλεται σε μια κοσμολογική πηγή, καταλήγοντας τελικά ότι αυτή θα μπορούσε να είναι κάποιου είδους σκοτεινή ενέργειας.

Αναλύοντας τα πειραματικά δεδομένα υποθέτοντας ότι η ανάπτυξη των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών σχετίζεται με την προέλευση της σκοτεινής ενέργειας, αποδεικνύουν ότι πράγματι υπάρχουν πιθανότητες τα δυο αυτά ανεξήγητα φαινόμενα να σχετίζονται μεταξύ τους.

«Έχουμε την πρώτη προτεινόμενη αστροφυσική πηγή για τη σκοτεινή ενέργεια», δήλωσε ο επικεφαλής ερευνητής Ντάνκαν Φάραχ του Πανεπιστημίου της Χαβάης. «Προτείνουμε ότι οι μαύρες τρύπες, τα απομεινάρια της έκρηξης άστρων, αποτελούν την αστροφυσική προέλευση της σκοτεινής ενέργειας».

This view of about 0.15 square degrees of space reveals many regions with large numbers of galaxies clustered together in clumps and filaments, with large gaps, or voids, separating them. Each point of light is not a galaxy, but a supermassive black hole, revealing just how ubiquitous these cosmic objects are. This region of space is known as the ECDFS, as it images the same portion of the sky imaged previously by the Extended Chandra Deep Field South: a pioneering X-ray view of the same space. The earliest supermassive black holes observed are more “grown up” than we expect, but the fact that we don’t yet understand how these black holes grow up over cosmic time, however, and that is not an invitation to explain it by whatever mechanism you can dream up. (Credit: NASA/Spitzer/S-CANDELS; Ashby et al. (2015); Kai Noeske)

Οι επιστήμονες θεωρούν ότι οι μαύρες τρύπες αυξάνουν τη μάζα τους στο πέρασμα δισεκατομμυρίων ετών σε βαθμό που δεν μπορεί να εξηγηθεί με τις σχετικές θεωρίες και αντιτείνουν ότι στην πραγματικότητα στον πυρήνα τους κρύβουν σκοτεινή ενέργεια. Η νέα έρευνα εστίασε σε μαύρες τρύπες αρχαίων και ήσυχων γαλαξιών, όπου δεν υπάρχει πια πολύ αστρικό υλικό για να «καταπιούν».

The expected fates of the Universe (top three illustrations) all correspond to a Universe where the matter and energy combined fight against the initial expansion rate. In our observed Universe, a cosmic acceleration is caused by some type of dark energy, which is hitherto unexplained. If your expansion rate continues to drop, as in the first three scenarios, you can eventually catch up to anything. But if your Universe contains dark energy, that’s no longer the case, as the last case illustrates. (Credit: E. Siegel/Beyond the Galaxy)

Υπολογίστηκε ότι σε αυτούς τους σχετικά αδρανείς γαλαξίες οι μαύρες τρύπες έχουν μάζες επτά έως 20 φορές μεγαλύτερες από ό,τι ήταν πριν εννέα δισεκατομμύρια χρόνια, πράγμα που -όπως υποστηρίζουν οι ερευνητές- μαρτυράει ότι κάποια άλλη μη εξωγενής διαδικασία τις τροφοδοτεί: κατά την εκτίμηση τους, πρόκειται για μια ενδογενή σκοτεινή ενέργεια.

Κανονικά, με βάση τους νόμους της Φυσικής, η βαρύτητα θα έπρεπε να προκαλεί τη σταδιακή επιβράδυνση της ανάπτυξης του σύμπαντος, όμως μια μυστηριώδης δύναμη, που προτάθηκε στο τέλος της δεκαετίας του 1990 και ονομάστηκε σκοτεινή ενέργεια, φαίνεται να υπεραντισταθμίζει τη βαρύτητα και να οδηγεί σε διαστολή του σύμπαντος και μάλιστα με επιταχυνόμενο ρυθμό.

In the vicinity of a black hole, space flows like either a moving walkway or a waterfall, depending on how you want to visualize it. At the event horizon, even if you ran (or swam) at the speed of light, there would be no overcoming the flow of spacetime, which drags you into the singularity at the center. Nobody knows what occurs at the central singularity. (Credit: Andrew Hamilton/JILA/University of Colorado)

Αν όντως οι μεγάλες μαύρες τρύπες που βρίσκονται στα κέντρα γαλαξιών, συνιστούν την πηγή της συμπαντικής σκοτεινής ενέργειας, τότε πιθανώς θα λυθεί και ένα άλλο κοσμικό αίνιγμα: τι συμβαίνει στο κέντρο μιας μαύρης τρύπας, στη λεγόμενη «μοναδικότητα», όπου καταρρέουν οι γνωστοί νόμοι της Φυσικής. Αν στον πυρήνα μιας μαύρης τρύπας υπάρχει σκοτεινή ενέργεια, τότε δεν φαίνεται να υπάρχει ανάγκη για «μοναδικότητες».

Αξίζει να παραθέσουμε τις τελευταίες γραμμές της περίληψης της μιάς εκ των δυο δημοσιεύσεων των ερευνητών στην οποία αναφέρονται τα εξής: «Συμπεραίνουμε ότι είτε υπάρχει ένας φυσικός μηχανισμός που αναπτύσσει τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες των ελλειπτικών γαλαξιών με z ≲ 2, είτε ότι τα συστηματικά σφάλματα υποεκτιμώνται και εξαρτώνται από την μετατόπιση προς το ερυθρό».

Δυστυχώς μέχρι σήμερα στον πόλεμο μεταξύ «νέας φυσικής» και «υποτίμησης των συστηματικών μας σφαλμάτων», χαμένη είναι σχεδόν πάντα η νέα φυσική.

Πηγές: “A Preferential Growth Channel for Supermassive Black Holes in Elliptical Galaxies at z ≲ 2” by Duncan Farrah, Sara Petty, Kevin S. Croker, Gregory Tarlé, Michael Zevin, Evanthia Hatziminaoglou, Francesco Shankar, Lingyu Wang, David L Clements, Andreas Efstathiou, Mark Lacy, Kurtis A. Nishimura, Jose Afonso, Chris Pearson and Lura K Pitchford, 15 February 2023, The Astrophysical Journal. DOI: 10.3847/1538-4357/acac2e - “Observational Evidence for Cosmological Coupling of Black Holes and its Implications for an Astrophysical Source of Dark Energy” by Duncan Farrah, Kevin S. Croker, Michael Zevin, Gregory Tarlé, Valerio Faraoni, Sara Petty, Jose Afonso, Nicolas Fernandez, Kurtis A. Nishimura, Chris Pearson, Lingyu Wang, David L Clements, Andreas Efstathiou, Evanthia Hatziminaoglou, Mark Lacy, Conor McPartland, Lura K Pitchford, Nobuyuki Sakai and Joel Weiner, 15 February 2023, The Astrophysical Journal Letters.  DOI: 10.3847/2041-8213/acb704 -  https://scitechdaily.com/cosmological-coupling-new-evidence-points-to-black-holes-as-source-of-dark-energy/ - Can black holes really cause dark energy? - https://www.amna.gr/home/article/708819/Oi-maures-trupes-periechoun-skoteini-energeia-pou-trofodotei-tin-epektasi-tou-sumpantos