最近關(guān)于“黑洞是暗能量來源”的新聞引起了很多人注意，說的是天文學(xué)家基于觀測數(shù)據(jù)首次發(fā)現(xiàn)了暗能量來源竟然是黑洞的證據(jù)。相關(guān)的兩篇論文已經(jīng)發(fā)表在 2023 年 2 月份的《天體物理學(xué)雜志》和《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》上。
說到暗能量，歐航局的歐幾里德任務(wù)不就是專門尋找暗物質(zhì)和暗能量嗎，于是我特地去問了問參與該項(xiàng)目的 @_宇正_，看看他們業(yè)內(nèi)人士對(duì)此事是什么看法。
關(guān)于暗能量之前我們曾專門介紹過，這里就不贅述了。簡單來說，就是我們在觀測中發(fā)現(xiàn)宇宙是在加速膨脹，因此不得已在原方程中強(qiáng)行添加了個(gè)“未知項(xiàng)”來平衡方程。由于不知道它究竟是什么，所以我們暫時(shí)給它起了個(gè)名，叫“暗”能量。
關(guān)于暗能量目前我們對(duì)它知之甚少。暗物質(zhì)至少我們還能通過引力效應(yīng)間接地看到它，推斷它大概在哪個(gè)位置，但暗能量真的就像是隱藏在宇宙間的幽靈，從種種跡象我們知道應(yīng)該有這么個(gè)東西，但是至于它在哪兒、究竟是什么，我們都一無所知。
而這次，研究人員認(rèn)為他們或許發(fā)現(xiàn)了這個(gè)幽靈的藏身之處，就是黑洞。該理論也成了首個(gè)不用引入額外新物理就能解釋暗能量起源的理論。
需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：該理論并不是基于理論計(jì)算得出的結(jié)果，而是基于實(shí)打?qū)嵉挠^測證據(jù)做出的反向推測。這是否意味著這次真的是個(gè)靠譜的大發(fā)現(xiàn)呢？那就要看這項(xiàng)研究到底說了些什么。
我們知道，黑洞按質(zhì)量可以分為幾十倍太陽質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞（SBH）、上百甚至上萬倍太陽質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞（IMBH），以及那些可以高達(dá)數(shù)十億倍的超大質(zhì)量黑洞（SMBH）。這些黑洞中有一類至今仍讓人感到困惑，那就是位于星系中心的超大質(zhì)量黑洞。
無論是恒星級(jí)黑洞還是中等質(zhì)量黑洞，它們的增長通常來說主要靠的是吸積物質(zhì)或者吞并其他黑洞。
但是對(duì)于星系中心的黑洞，尤其是巨大的橢圓星系中的那些擁有數(shù)十億倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞來說，它們的個(gè)頭實(shí)在太大了，大到以至于從宇宙誕生到現(xiàn)在，138 億年的時(shí)間也不夠形成這么大的黑洞。
對(duì)于超大質(zhì)量黑洞個(gè)頭增長過快這個(gè)問題，一直困擾著天文學(xué)家。為此很多人也提出了各種各樣的猜想：有說這類黑洞的前身可能是個(gè)超大質(zhì)量的恒星（有人叫它“黑洞星”）；也有說它是由一個(gè)上百萬個(gè)恒星組成的超大質(zhì)量恒星團(tuán)集體塌縮而成；甚至還有說它可能是由暗物質(zhì)形成的黑洞種子演化而來…… 一時(shí)間眾說紛紜。
反正沒個(gè)定論，那我們不如也給個(gè)猜測：超大質(zhì)量黑洞增長過快會(huì)不會(huì)和宇宙的加速膨脹有什么關(guān)系呢？
于是研究人員從該問題入手，他們先是舍棄了目前傳統(tǒng)的黑洞模型。這類黑洞因?yàn)榫哂?strong>奇點(diǎn)這樣的奇異性，所以并不是一個(gè)完善的模型。他們選擇了一些無奇點(diǎn)的黑洞模型，質(zhì)量可以隨膨脹率和時(shí)間而變化（類似宇宙學(xué)紅移），這樣黑洞的增長就不用只依靠吸積和合并方式，他們稱該模型為“宇宙學(xué)耦合”模型。
接著他們對(duì)這種宇宙學(xué)耦合的黑洞模型進(jìn)行了測試。他們在 z<2.7 的范圍內(nèi)選擇了一些橢圓星系，這些星系除了附近的一些現(xiàn)代星系外，還有一些幾十億年前位于宇宙不同時(shí)期的星系。然后他們對(duì)這些星系中心黑洞的質(zhì)量以及宿主星系內(nèi)的恒星質(zhì)量進(jìn)行了比較分析。
對(duì)于這些橢圓星系來說，它們通常已經(jīng)過了大批量誕生恒星的階段，可以說進(jìn)入了休眠狀態(tài)。所以對(duì)中心黑洞來說它基本上已經(jīng)不再怎么增長，畢竟已經(jīng)吃得差不多了。但是觀測數(shù)據(jù)表明，這些黑洞要比其早年間增大了許多，質(zhì)量增加了 7~20 倍。
由于缺少食物，靠吸積增長顯然不可能，那有沒有可能是通過吞并矮星系導(dǎo)致的黑洞合并呢？但是比較了星系中恒星總質(zhì)量的增加程度來看，黑洞的質(zhì)量增加速率要快得多。因此，吸積和合并的可能性都被排除了。
到這里一切都還正常，結(jié)論也和往常一樣。而之后他們開始驗(yàn)證自己的猜測：這些黑洞的質(zhì)量增長會(huì)不會(huì)和宇宙膨脹有關(guān)。假如兩者之間真的存在某種聯(lián)系，我們應(yīng)該能從兩者數(shù)值的耦合度上發(fā)現(xiàn)點(diǎn)什么。
于是他們假設(shè)了個(gè)耦合參數(shù) k，如果 k=0 則說明兩者沒有關(guān)系；如果 k=3 則說明兩者有著強(qiáng)耦合關(guān)系，至少在數(shù)值上是這樣。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在所有的樣本中 k 值看起來都是 3，也就是說黑洞的質(zhì)量增長和宇宙的膨脹在數(shù)值上強(qiáng)相關(guān)，這意味著這些黑洞和暗能量之間似乎有著某種聯(lián)系。
除此之外，根據(jù)主導(dǎo)不同，宇宙曾經(jīng)歷過三個(gè)時(shí)期：第一批原子形成以前、由輻射主導(dǎo)的輻射期，類星體和第一代恒星誕生、由物質(zhì)主導(dǎo)的物質(zhì)期，以及在那之后由暗能量主導(dǎo)的暗能量期。如果這些超大質(zhì)量黑洞早先也是某種恒星殘骸的話，這就與暗能量期要晚于物質(zhì)期對(duì)應(yīng)上了。
但是黑洞作為一種天體，它何德何能來左右宇宙的行為呢？雖然這里面的細(xì)節(jié)仍然不得而知，但是研究人員猜測，這或許和黑洞內(nèi)部包含的真空能有關(guān)。注意：這里的真空能并非量子力學(xué)中的真空零點(diǎn)能，它是愛因斯坦在廣義相對(duì)論中提出的一種能量，這種能量或許就是導(dǎo)致宇宙加速膨脹的暗能量的來源。
以上是針對(duì)論文內(nèi)容的解讀，最后再說說對(duì)于該結(jié)論的一些看法。
這篇論文讓人聯(lián)想到 2012 年《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》上的一篇文章：作者統(tǒng)計(jì)了全球 23 個(gè)國家和地區(qū)的巧克力消費(fèi)量，發(fā)現(xiàn)它與諾貝爾獲得者的數(shù)量之間存在高度的相關(guān)性。
據(jù)此作者得出個(gè)結(jié)論：吃巧克力可以增強(qiáng)認(rèn)知功能！顯然這個(gè)結(jié)論給的過于草率，少考慮了太多其他因素，完全經(jīng)不起推敲。
所謂相關(guān)性不代表因果性，它可能是由其他原因?qū)е碌南嚓P(guān)，也可能只是一種簡單的巧合。再?zèng)]有更加有力的證據(jù)出來前，黑洞增長和宇宙膨脹之間存在內(nèi)在聯(lián)系的可能性有，但是很小很小。
論文的觀點(diǎn)確實(shí)新穎，研究人員可能是想拋個(gè)磚引個(gè)玉，也可能是想在新方向上先占個(gè)坑，所以他們把偏觀測的那篇發(fā)在了《天體物理學(xué)雜志》上，而把這個(gè)偏腦洞的研究發(fā)在了及時(shí)性更高的《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》上。
總的來說，對(duì)于“黑洞是暗能量來源”這個(gè)觀點(diǎn)，目前僅僅是在某些數(shù)值上看到了一定的相關(guān)性，但也僅此而已。沒有為什么相關(guān)，也沒有具體是怎么相關(guān)，更沒有內(nèi)在的因果關(guān)系。或許未來有一天我們真找到了兩者的內(nèi)在聯(lián)系，但那也肯定是建立在更加堅(jiān)實(shí)有力的證據(jù)基礎(chǔ)上。畢竟還是那句話：非同尋常的觀點(diǎn)需要非同尋常的證據(jù)！
本文來自微信公眾號(hào)：Linvo 說宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo
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