Instrument spektroskopowy ciemnej energii (DESI) pomaga badaczom zbadać „Wielki Wybuch rozegrane w odwrotnej kolejności”.
Naukowcy korzystający z danych z DESI badają przełomową teorię łączącą czarne dziury z przyspieszającą ekspansją Wszechświata. Teoria sugeruje, że ciemna energia, która stanowi około 70% Wszechświata i napędza jego ekspansję, może pochodzić z procesów zachodzących w czarnych dziurach, na wzór odwrotnego Wielkiego Wybuchu.
Odkrywanie zagadki ciemnej energii
Prawie 14 miliardów lat temu, na początku Wielkiego Wybuchu, tajemnicza energia wywołała wykładniczą ekspansję, w wyniku której powstała cała znana materia. To wydarzenie, opisane przez inflacyjną teorię wszechświata, przygotowało grunt pod kosmos, jaki znamy.
Ta starożytna energia ma pewne kluczowe właściwości wspólne z ciemną energią obecną we współczesnym wszechświecie – jest to głęboka tajemnica. Ciemna energia stanowi około 70% wszechświata, jednak jej natura pozostaje nieuchwytna dla naukowców.
Teoria odwrotnego Wielkiego Wybuchu
„Jeśli zadasz sobie pytanie: «Gdzie w późniejszym wszechświecie grawitacja jest tak silna jak na początku wszechświata?» odpowiedź znajduje się w centrum czarnych dziur” – powiedział Gregory Tarlé, profesor fizyki na Uniwersytecie Michigan i współautor badania. „Możliwe, że to, co wydarzyło się podczas inflacji, przebiega odwrotnie, materia masywnej gwiazdy ponownie staje się ciemną energią podczas zapadnięcia grawitacyjnego – jak mały Wielki Wybuch odtwarzany w odwrotnej kolejności”.
W niedawnym badaniu opublikowanym w czasopiśmie Journal of Cosmology i Astrofizyki CząstekTarlé i współpracownicy z pięciu instytucji przedstawiają nowe dowody potwierdzające tę tezę, zebrane przy użyciu danych z instrumentu spektroskopowego ciemnej energii (DESI). DESI, obejmujący 5000 robotycznych oczu na Teleskopie Mayalla w Obserwatorium Narodowym Kitt Peak na terytorium Tohono O’odham Nation, oferuje świeże spojrzenie na związek między czarnymi dziurami a ciemną energią
Czarne dziury i kosmiczne przyspieszenie
„Jeśli czarne dziury zawierają ciemną energię, mogą łączyć się z rozszerzającym się wszechświatem i rosnąć wraz z nim, powodując przyspieszenie jego wzrostu” – powiedział Kevin Croker, główny autor nowego badania zespołu i asystent naukowy na Uniwersytecie Stanowym w Arizonie. „Nie możemy poznać szczegółów tego, jak to się dzieje, ale możemy zobaczyć dowody na to, że tak się dzieje”.
Dane z pierwszego roku zaplanowanego na pięć lat badania DESI przedstawiają kuszące dowody na to, że gęstość ciemnej energii wzrastała z czasem. Stanowi to przekonującą wskazówkę potwierdzającą koncepcję tego, czym jest ciemna energia, twierdzą naukowcy, ponieważ ten wzrost w czasie zgadza się ze wzrostem ilości i masy czarnych dziur w czasie.
„Kiedy po raz pierwszy zaangażowałem się w projekt, byłem bardzo sceptyczny” – powiedział współautor Steve Ahlen, emerytowany profesor fizyki na Uniwersytecie Bostońskim. „Ale przez cały proces zachowywałem otwarty umysł i kiedy zaczęliśmy wykonywać obliczenia kosmologiczne, powiedziałem: «Cóż, to naprawdę fajny mechanizm wytwarzania ciemnej energii»”.
Analiza danych galaktycznych
Aby szukać dowodów na ciemną energię z czarnych dziur, zespół wykorzystał pomiary dziesiątek milionów odległych galaktyk za pomocą DESI. Instrument spogląda miliardy lat w przeszłość i zbiera dane, które można wykorzystać do określenia szybkości rozszerzania się Wszechświata z niezwykłą precyzją. Dane te można z kolei wykorzystać do wywnioskowania, jak ilość ciemnej energii zmienia się w czasie.
Zespół porównał te dane z liczbą czarnych dziur powstałych w wyniku śmierci dużych gwiazd w historii Wszechświata.
„Te dwa zjawiska były ze sobą spójne — w miarę powstawania nowych czarnych dziur w wyniku śmierci masywnych gwiazd ilość ciemnej energii we wszechświecie wzrastała we właściwy sposób” – powiedział Duncan Farrah, profesor fizyki na Uniwersytecie im. Hawai’i i współautor badania. „To sprawia, że bardziej prawdopodobne jest, że czarne dziury są źródłem ciemnej energii”.
Dalsze badania ciemnej energii
Badania te uzupełniają coraz większą literaturę badającą możliwość kosmologicznego sprzężenia w czarnych dziurach. Badanie przeprowadzone w 2023 r., w którym wzięło udział wielu autorów tego artykułu, wykazało sprzężenie kosmologiczne w supermasywnych czarnych dziurach w centrach galaktycznych. Raport z 2023 r. zachęcił inne zespoły do poszukiwania efektu czarnych dziur we wszystkich miejscach, w których można je znaleźć we wszechświecie.
„W tych artykułach badamy związek między ciemną energią a czarnymi dziurami na podstawie tempa ich wzrostu. Nasz nowy artykuł łączy czarne dziury z ciemną energią już w momencie ich narodzin” – powiedział Brian Cartwright, astrofizyk, współautor i były główny radca prawny amerykańskiej Komisji Papierów Wartościowych i Giełd.
Ewoluujące badanie czarnych dziur
Kluczową różnicą w nowym artykule jest to, że większość odpowiednich czarnych dziur jest młodsza od poprzednio badanych. Te czarne dziury narodziły się w epoce powstawania gwiazd, co jest śledzone czarna dziura formacja – była już w zaawansowanym stadium, a nie dopiero się zaczynała.
„Ma to miejsce znacznie później we wszechświecie i wynika z ostatnich pomiarów produkcji i wzrostu czarnych dziur zaobserwowanych za pomocą kosmicznych teleskopów Hubble’a i Webba” – powiedział współautor Rogier Windhorst, interdyscyplinarny naukowiec w JWST i profesor nauk o Ziemi i kosmosie eksploracji na Uniwersytecie Stanowym w Arizonie.
„Następne pytanie dotyczy tego, gdzie znajdują się te czarne dziury i w jaki sposób poruszały się przez ostatnie 8 miliardów lat. Naukowcy pracują obecnie nad ograniczeniem tego zjawiska” – powiedział Croker.
Perspektywy na przyszłość w badaniach nad ciemną energią
Nauka wymaga większej liczby badań i obserwacji, a teraz, gdy DESI jest dostępne w Internecie, poszukiwania ciemnej energii dopiero się rozpoczynają.
„To tylko zapewni większą głębię i przejrzystość naszemu rozumieniu ciemnej energii, niezależnie od tego, czy nadal potwierdza to hipotezę czarnej dziury, czy nie” – powiedział Ahlen. „Myślę, że jako przedsięwzięcie eksperymentalne jest wspaniałe. Możesz mieć z góry przyjęte wyobrażenia lub nie, ale kierujemy się danymi i obserwacjami.”
Niezależnie od tego, co przyniosą przyszłe obserwacje, prowadzone obecnie prace stanowią radykalną zmianę w badaniach nad ciemną energią – stwierdził zespół.
„Zasadniczo to, czy czarne dziury są ciemną energią w powiązaniu z wszechświatem, w którym zamieszkują, przestało być tylko kwestią teoretyczną” – powiedział Tarlé. „To jest teraz pytanie eksperymentalne”.
Odniesienie: „Ewolucja czasu ciemnej energii DESI jest odzyskiwana przez kosmologicznie sprzężone czarne dziury” Kevina S. Crokera, Gregory’ego Tarlé, Steve’a P. Ahlena, Briana G. Cartwrighta, Duncana Farraha, Nicolasa Fernandeza i Rogiera A. Windhorsta, 28 października 2024 r., Journal of Cosmology i Astrofizyki Cząstek.
DOI: 10.1088/1475-7516/2024/10/094
