要了解暗物质首先得从黑洞下手

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫专栏周三 ·太空探索 |周四 · 观测指南 周五 · 深空探索 | 周六 ·茶余星话 | 周日 · 视频天象 翻译：王启儒校对：牧夫天文校对组后期：西藏老农民责任编辑：王启儒原文发布于space.com暗能量（Dark energy）是天文学家用来指代驱动当前宇宙加速膨胀的神秘力量。它令人困惑，因为天文学家们对暗能量的本质一无所知，然而它在宇宙中占据主导地位（约占宇宙物质/能量总量的70%）。然而，情况并非一直如此。在暗能量之前，普通物质和引力主导着宇宙，并成功地将大爆炸引发的初始膨胀减缓至几乎停止。大约在50亿年前，暗能量在宇宙中“发动政变”，重新加速了宇宙的膨胀。问题在于，没有人知道它来自何处，也不清楚这个转变是如何发生的。 JWST拍摄的110亿年前恒星诞生原星团PHz G191.24+62.04的图像Credits：NASA, ESA, CSA, Maria Polletta (INAF), Hervé Dole (Paris), Brenda Frye (UofA), Jordan C. J. D'Silva (UWA), Anton M. Koekemoer (STScI), Jake Summers (ASU), Rogier Windhorst (ASU)基于此，天文学家提出了这样一个问题：在当今的宇宙中， 哪里存在宇宙初期时候的强大引力？答案是黑洞。因此，该团队认为黑洞可能与暗能量存在耦合关系。“根据宇宙耦合假说，黑洞与不断膨胀的宇宙相耦合，并充满了随着宇宙膨胀而增长的暗能量。”密歇根大学物理学教授、研究团队成员格雷戈里·塔勒（Gregory Tarlé）在接受采访时表示。 塔勒教授补充道，这可能发生在黑洞死亡（引力坍缩）时，类似于大爆炸的逆向过程。在这一过程中，黑洞中原巨大恒星的普通物质在引力塌缩时会转化为暗能量，进而推动宇宙的加速膨胀。虽然他们尚未掌握这一过程的具体细节，但已有证据表明确实如此。宇宙膨胀的艺术构想图，其中横坐标表示宇宙演化的时间，而对应的空间尺寸（包括想象中的不可观测部分）都用相应的圆横截面表示。Credits：NASA/WMAP Science Team这是该团队第二次发表关于黑洞与暗能量之间 宇宙耦合（cosmological coupling）的研究。塔勒表示：“我们在2024年2月发表的第一项研究显示了宇宙膨胀对被动演化的椭圆星系中超大质量黑洞的影响。如果所有黑洞都以这种方式“变大”，它们则可以共同解释宇宙中暗能量的密度。” 在这项新研究中，团队借助了暗能量光谱仪（DESI）的数据。DESI由安装在基特峰国家天文台梅奥尔望远镜上的5000只自动化“眼睛”组成，能够对数千万个星系和类星体进行观测，以构建一个覆盖110亿光年范围的宇宙三维地图。位于美国亚利桑那基特峰国家天文台的暗能量光谱仪（DESI）Credits：DESI.gov团队将DESI数据中暗能量的变化与宇宙历史上大质量恒星死亡后形成的黑洞数量进行了比较。结果显示，随着黑洞的形成，宇宙中的暗能量含量同步增加。这表明暗能量与黑洞之间必定存在关联。“在宇宙的早期阶段，引力占主导地位，但某种形式的暗能量导致宇宙开始呈指数膨胀。又通过某种未知的过程，这种能量转化为今天的普通物质，”塔勒解释道。“可以想象，在黑洞的中心，也就是当前宇宙中唯一一个引力强度与膨胀时期相当的地方，普通物质通过逆过程转化为暗能量。”塔勒表示，这一理论的美妙之处在于，它不仅有助于解释暗能量的来源，还帮助解决了黑洞科学中的一个长期难题：目前，在黑洞的中心，理论上存在一个 奇点（singular point），即爱因斯坦的引力理论和广义相对论的方程在此处趋于无穷大，因此所有物理学在此处失效。而暗能量与黑洞的宇宙耦合则消除了这一奇点。 暗能量和黑洞的结合可以解释黑洞的核心所在，该图像是由位于遥远星系M87中心的事件视界望远镜拍摄的。Credits：EHT Collaboration