|
Черные дыры, наполненные темной энергией
|
|
|
|
Это захватывающее время для изучения важнейших вопросов физики, на которые пока нет ответов, благодаря высокотехнологичным экспериментам и очень точным данным. Это особенно верно в отношении темной энергии - названия, данного таинственной движущей силе ускоряющегося расширения Вселенной.
|
|
|
|
В отчете, опубликованном в журнале Physical Review Letters, группа исследователей опубликовала новые данные, подтверждающие тот факт, что влияние темной энергии на Вселенную, которое долгое время считалось постоянным, на самом деле меняется с течением космического времени. Команда и внешние соавторы показывают, как эти данные можно понимать как сигнал о преобразовании материи в темную энергию.
|
|
|
|
Новые находки были сделаны на изолированной горе в южной Аризоне под названием Иолкам Дуаг. Здесь Национальная обсерватория Тохоно О'Одхэм управляет Национальной обсерваторией Китт—Пик, где спектроскопический прибор темной энергии, или DESI, заглядывает глубоко в прошлое Вселенной с помощью 5000 роботизированных глаз, каждый из которых каждые 15 минут фокусируется на другой галактике.
|
|
|
|
Работая каждый час почти каждую ночь, DESI уже нанесла на карту миллионы галактик и другие типы древних светящихся объектов, многие из которых были обнаружены в те времена, когда Вселенная была меньше половины своего нынешнего размера.
|
|
|
|
|
|
|
В текущем исследовании ученые сосредоточились на интерпретации черных дыр как крошечных пузырьков темной энергии. Поскольку черные дыры образуются, когда массивные звезды истощают свое ядерное топливо и коллапсируют, эта космологически связанная гипотеза о черных дырах, или CCBH, требует преобразования звездного вещества в темную энергию.
|
|
|
|
Это удобно связывает скорость производства темной энергии и потребления вещества с тем, что на протяжении десятилетий измерялось космическим телескопом Хаббла, а теперь и космическим телескопом Джеймса Уэбба: скоростью звездообразования.
|
|
|
|
"В этой статье данные впервые сопоставляются с конкретной физической моделью, и она работает хорошо", - сказал член коллаборации DESI Грегори Тарле, почетный профессор физики Мичиганского университета и автор-корреспондент нового отчета.
|
|
|
|
Основное внимание в исследовании уделялось массе призрачных частиц, называемых нейтрино, - второй по распространенности частицы во Вселенной. Ученым известно, что массы этих частиц больше нуля и, таким образом, они вносят свой вклад в распределение вещества во Вселенной, но их точные значения еще предстоит измерить.
|
|
|
|
Интерпретация новых данных DESI с помощью модели CCBH дает значение, превышающее ноль, что согласуется с тем, что ученые уже знают об этих частицах-призраках, и является улучшением по сравнению с другими интерпретациями, которые предпочитают нулевую или даже отрицательную массу.
|
|
|
|
"Это, по меньшей мере, интригует", - сказал Тарле. "Я бы сказал, что "неотразимый" было бы более точным словом, но мы действительно стараемся сохранить его за собой в нашей области".
|
|
|
|
Эндерт Андраде, научный сотрудник Leinweber в U-M и координатор группы DESI по анализу барионных акустических колебаний за третий год, представил данные и рекомендации, использованные в новом отчете. В число авторов исследования также входили Драган Хутерер, профессор физики, и Майкл Шубнелл, научный сотрудник. DESI - это международный эксперимент, в котором принимают участие более 900 исследователей из более чем 70 учреждений.
|
|
|
|
Изгнание частиц-призраков
|
|
|
|
Гипотеза CCBH была выдвинута около пяти лет назад соавторами исследования Кевином Крокером, младшим научным сотрудником Университета штата Аризона, и профессором Гавайского университета Дунканом Фаррой. Математические описания черных дыр как крошечных капель темной энергии, а не "спагетти"-монстров, обернутых односторонними слоями, изучаются исследователями уже более полувека.
|
|
|
|
Тем не менее, идея о том, что темная энергия внутри таких черных дыр может влиять на Вселенную в целом, была неортодоксальной. Однако с математической точки зрения она имела достаточно смысла, чтобы привлечь небольшое число любопытных исследователей, которые начали изучать, насколько хорошо эта гипотеза объясняет наблюдения и космологические данные.
|
|
|
|
"Исторически так устроена физика. Вам приходит в голову столько идей, сколько вы можете, и вы реализуете их так быстро, как только можете", - сказал исследователь DESI Стив Ален, почетный профессор физики Бостонского университета и один из первых соавторов разработки CCBH.
|
|
|
|
"Вы не уклоняетесь от новых и непохожих друг на друга идей, а это, безусловно, то, что нам нужно придумать в наши дни, когда вокруг так много загадок".
|
|
|
|
Первые данные, подтверждающие гипотезу CCBH, были получены в результате неожиданного роста сверхмассивных черных дыр в центрах спящих эллиптических галактик по сравнению с ростом звездного населения этих галактик. Но именно данные за первый год работы DESI, которые показали, что плотность темной энергии влияет на скорость звездообразования, убедили Крокера и Фарру объединить усилия с DESI Collaboration.
|
|
|
|
"Работая с DESI над данными за три года, мы изменили правила игры", - сказал Крокер о работе в качестве внешнего сотрудника DESI над этим проектом. "У вас есть несколько самых проницательных и креативных исследователей в этой области, которые готовы предложить свои руки и сердца. Это абсолютная привилегия".
|
|
|
|
Помимо пучков света, называемых фотонами, нейтрино являются самыми распространенными частицами во Вселенной. За то время, пока вы будете читать это предложение, через ваше тело пройдут сотни триллионов нейтрино. Но нейтрино редко взаимодействуют со своим окружением, а это означает, что они постоянно проносятся сквозь другую материю, оставаясь совершенно незамеченными, поэтому их иногда называют частицами-призраками.
|
|
|
|
Ученым известно, что нейтрино обладают массой, но точно определить ее величину сложно из-за их эфирной природы. В то время как масштабные эксперименты, проводимые в настоящее время на Земле, направлены на то, чтобы определить эти цифры, ночное небо предлагает мощный и дополнительный источник ответов.
|
|
|
|
Галактические карты DESI содержат информацию о том, как быстро росла Вселенная за последние 10 миллиардов лет, что, в свою очередь, дает представление о космическом запасе материи и темной энергии. Но материя бывает трех типов: холодная темная материя, барионы и нейтрино. Ранние измерения, проведенные по остаточному излучению Большого взрыва, показали, что количество темной материи и барионов во Вселенной было давно. Но, по словам DESI, кажется, что сегодня материи меньше, чем в далеком прошлом. Это оставляет мало места для нейтрино.
|
|
|
|
"Полученные данные свидетельствуют о том, что масса нейтрино отрицательна, и это, конечно, скорее всего, нефизично", - сказал Рогир Виндхорст, регентский профессор Школы исследований Земли и космоса АГУ и соавтор нового исследования.
|
|
|
|
Однако при интерпретации в рамках гипотезы CCBH эта нефизическая проблема исчезает. Поскольку звезды состоят из барионов, а черные дыры преобразуют вещество мертвых звезд в темную энергию, количество барионов на сегодняшний день уменьшилось по сравнению с измерениями, полученными во время Большого взрыва. Это позволяет нейтрино вносить свой вклад в состав вещества так, как это ожидается при других измерениях.
|
|
|
|
"Вы обнаружите, что распределение вероятностей массы нейтрино указывает не только на положительное число, но и на число, которое полностью согласуется с результатами наземных экспериментов", - сказал Виндхорст. "Я нахожу это очень захватывающим".
|
|
|
|
Еще один интересный момент
|
|
|
|
Несмотря на то, что этот результат заслуживает самого пристального внимания, в работе также подчеркиваются другие полезные особенности модели CCBH.
|
|
|
|
"Гипотеза CCBH количественно связывает явления, которые вы изначально не ожидали бы связать", - сказал Фарра. "Именно смешение масштабов, больших и малых, так противоречит нашей натренированной линейной интуиции".
|
|
|
|
Материя замедляет рост Вселенной, в то время как темная энергия ускоряет его. Поскольку в гипотезе CCBH материя преобразуется в темную энергию, ускоренное расширение происходит раньше, и поэтому скорость расширения сегодня, скорость Хаббла, немного больше. Это дополнительное ускорение приближает космологические измерения скорости Хаббла к другим измерениям, например, от далеких взрывающихся звезд, называемых сверхновыми.
|
|
|
|
Гипотеза CCBH также объясняет наблюдаемое количество темной энергии: это не просто какое-то магическое число, установленное при рождении Вселенной. Темная энергия исходит от мертвых звезд, поэтому ее нет, пока не появятся звезды, а звезды не образуются, пока Вселенная не станет достаточно большой и холодной. Как только образуются звезды, количество выделяемой темной энергии напрямую зависит от того, сколько образуется звезд.
|
|
|
|
"Работа над этим проектом была одновременно сложной и невероятно увлекательной", - сказал соавтор исследования Густаво Низ, исследователь из Университета Гуанахуато, Мексика. "Это всего лишь еще одна веха в становлении CCBH как жизнеспособной теории. Потребуется больше данных, тщательный анализ и более тщательное изучение, чтобы определить, может ли это стать новой парадигмой для объяснения нашей Вселенной. Конечно, это также может быть исключено по мере появления новых данных."
|
|
|
|
Крокер сказал, что гипотеза хорошо работает, если взглянуть на Вселенную в общих чертах, "но данные других экспериментов, в которых изучаются отдельные черные дыры, не столь убедительны. Вот почему гипотеза интересна. Множество разных наблюдателей могут проверить ее на практике, в режиме реального времени".
|
|
|
|
По словам Алена, именно так развивается наука. Но для ученых, которые работают над DESI с самого начала, интересно видеть, что поступающие данные позволяют исследователям проверять новые и непохожие друг на друга гипотезы.
|
|
|
|
"Это так здорово - после столь долгой работы над экспериментом прийти к таким потрясающим результатам", - сказал Тарле, возглавлявший команду, создавшую роботизированную глазную систему DESI. "Это просто замечательно".
|
|
|
|
Источник
|
