從黑洞尋找暗能量證據：探索宇宙神秘力量新進展

根據主流的暴脹宇宙理論，在大霹靂之初，一股神秘能量促使初生的宇宙呈指數級膨脹，並造就了所有已知物質。那股古老能量與現今宇宙的暗能量有著共同的關鍵特徵。若自問：「在宇宙演化後期，哪裡的重力能像宇宙初始時那般強大？」答案是黑洞中心。有可能在暴脹期間發生的事反向進行，即大質量恆星在重力坍縮時，其物質再次變成暗能量，就像是「反向播放的小型大霹靂」。最新研究利用「暗能量光譜儀」（DESI）的近期資料，為此情景提供了更有力的支援。

一張超大質量黑洞周圍吸積盤的影象，有噴流狀結構從盤中流出。黑洞的極大質量使時空彎曲，讓吸積盤遠端能以影像形式出現在黑洞上下方。圖片出處：德國電子同步加速器研究中心（DESY）科學傳播實驗室。

亞利桑那州立大學的天文學家凱文・克羅克博士表示：「若黑洞含有暗能量，它們就能與不斷膨脹的宇宙相互作用並隨之成長，促使宇宙加速膨脹。」

他還提到：「我們雖無法得知這一過程的細節，但能看到它正在發生的證據。」

DESI為期五年的調查計劃第一年資料顯示出引人遐想的證據，暗能量密度隨時間有所增加。

這為暗能量的本質提供了有力線索，因其密度隨時間增加的趨勢，與黑洞的數量和質量隨時間增加的情形相符。

波士頓大學的史蒂夫・阿倫教授稱：「我剛參與這個專案時，非常懷疑。但在整個過程中我保持開放的心態，當我們開始進行宇宙學計算時，我心想，『嗯，這確實是一個解釋暗能量產生的巧妙機制』。」

為從黑洞尋找暗能量的證據，天文學家利用了DESI測量的數千萬個遙遠星系。

該儀器能窺探數十億年前的過去，收集到的資料可用於極高精度地確定宇宙膨脹的速度。

反過來，這些資料也能用於推斷暗能量的量如何隨時間變化。

研究人員將這些資料與宇宙歷史上大質量恆星爆炸形成的黑洞數量作了比較。

夏威夷大學的物理學家鄧肯・法拉博士表示：「這兩種現象相互吻合，隨著大質量恆星死亡形成新的黑洞，宇宙中暗能量的量也以恰當的方式增加。這使黑洞是暗能量源的說法更具可信度。」

此研究補充了日益增多的關於黑洞宇宙耦合可能性的文獻。

2023年的一項研究報告了星系中心超大質量黑洞的宇宙耦合現象。

那項研究促使其他團隊在宇宙中各處的黑洞中尋找此效應。

Healthpeak Properties Inc.的天體物理學家布萊恩・卡特賴特博士（曾任美國證券交易委員會總法律顧問）指出：「那些論文透過黑洞的生長速率研究暗能量與黑洞的聯絡，而我們的新論文則是透過黑洞的誕生時間將二者聯絡起來。」

新論文的一個關鍵不同之處在於，大多相關黑洞比先前研究的更為年輕。

這些黑洞誕生於恆星形成（與黑洞形成相關）已蓬勃展開而非剛剛起步的時代。

亞利桑那州立大學的羅吉爾・溫德霍斯特教授稱：「這在宇宙演化中發生的時間要晚得多，是基於哈勃和韋布太空望遠鏡近期對黑洞產生和生長的測量結果。」

克羅克博士說：「接下來的問題是，這些黑洞在哪裡，以及在過去80億年裡它們是如何運動的。科學家們目前正在努力釐清這些問題。」

科學需要更多的研究途徑和觀測，如今DESI已投入使用，對暗能量的探索才剛剛開始。

阿倫教授表示：「無論未來的觀測結果是否繼續支援黑洞假說，這都將加深和明晰我們對暗能量的理解。我認為作為一項實驗性探索，這很棒。無論有無先入之見，我們都受資料和觀測的驅動。」

不論未來的觀測結果如何，目前的研究在暗能量研究領域都代表著重大轉變。

密歇根大學的格雷戈裡・塔爾教授稱：「從根本上說，黑洞是否就是暗能量，是否與其所處宇宙相互耦合，已不再只是理論問題，如今它是個實驗性問題。」

此研究成果發表在《宇宙學與天體粒子物理學雜誌》上。

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凱文・S・克羅克等人，2024年。《DESI暗能量的時間演化由宇宙耦合黑洞再現》，《宇宙學與天體粒子物理學雜誌》10期：094；doi: 10.1088/1475-7516/2024/10/094

本文改編自密歇根大學的原始新聞稿。