黑洞真的是暗能量的来源吗？一项新研究找到了令人震惊的证据

到了20世纪20年代，天文学家了解到，正如爱因斯坦的广义相对论所预言的那样，宇宙正在膨胀。这在天体物理学家之间引发了一场争论，一派认为宇宙始于大爆炸，另一派认为宇宙存在于稳态。到20世纪60年代，对宇宙微波背景（CMB）的第一次测量表明，前者是最有可能的情况。到了20世纪90年代，哈勃太空望远镜提供了有史以来拍摄到的宇宙最深的图像，揭示了宇宙大爆炸后仅数亿年的星系。

上图：宇宙膨胀的例证。

随着时间的推移，这些发现导致了一个令人震惊的认识：宇宙膨胀的速度（又名：哈勃常数）随着时间的推移并不是恒定的！这就引出了暗能量理论，暗能量是一种无形的力量，可以抵消重力，并导致这种膨胀加速。在一系列论文中，由夏威夷大学领导的一个国际研究团队报告说，古代和休眠星系中的黑洞的增长速度超过了预期。这构成了（他们声称）黑洞可能是暗能量来源的第一个证据。

这项研究由来自夏威夷大学、卡弗里宇宙物理研究所、恩里科费米研究所、欧洲南方天文台（ESO）、荷兰空间研究所（SRON）、国家射电天文台（NRAO）、葡萄牙天体物体学与太空科学研究所（IA）、米切尔基础物理和天文学研究所，以及多所大学的天文学家和天体物理学家组成。他们的发现发表在《天文学杂志》和《天文学杂志通讯》上的两篇论文中。

宇宙学的危机

根据被最广泛接受的宇宙模型，暗能量占宇宙质能含量的68%。这个理论复活了爱因斯坦提出但后来被否决的一个想法 —— 存在一个“宇宙常数”（用科学符号Delta表示），它“抑制”了引力，防止宇宙自我坍缩。力和暗物质（占质能含量的26.8%）是当今最广泛接受的宇宙学模型的组成部分，被称为“Lambda-Cold Dark Matter （LCDM）”模型。

暗能量背后的主要论点是，在时空中有一种特殊类型的能量（称为真空能量）推动宇宙分离。然而，这个理论有一些问题，其中最重要的是没有直接的证据证明这种神秘的能量存在。此外，虽然这种真空能量与量子力学是一致的，但所有使用量子场论计算它的尝试都是徒劳的。除此之外，还有一个问题是，这种能量是如何与我们宇宙中的超大质量黑洞（SMBHs）重合的。

上图：NGC 524是双鱼座的一个星系，是本研究中观测到的星系之一。它距离地球大约9000万光年。

到20世纪70年代，天文学家已经确定，我们星系中心（人马座A*）的持续射电源是一个质量为4000万个太阳的黑洞。进一步的观测表明，大多数大质量星系的核心区域都有超大质量黑洞，这就是活动星系核（AGNs）或类星体存在的原因。超大质量黑洞极强的引力导致周围的物质在它们周围坠入，形成吸积盘和强大的相对论喷流，物质被加速到接近光速（并在这个过程中释放出大量的辐射）。

这些“猛犸象”出现在大多数大质量星系的中心，需要极其强大的力量来抵消它们。当涉及到理论上存在于其核心的奇点时，尤其如此，在那里，物理定律被打破，变得难以区分。这就产生了一种被称为“宇宙耦合”的奇异理论，该理论认为超大质量黑洞（SMBHs）可能具有巨大的真空能量，它们是宇宙膨胀的原因。

非凡的说法 ……

在他们的论文中，由邓肯·法拉（Duncan Farrah，夏威夷大学马诺阿分校的天文学家，帝国理工学院的前博士）领导的团队报告了第一个观测证据，证明黑洞增加质量的方式与它们含有真空能量的方式一致。尽管天体物理学家一直在寻找暗能量和黑洞问题的理论解决方案，但该团队的发现，据称构成了黑洞是暗能量来源的第一个观测证据。

上图：在这项研究中观察到的另一个星系，NGC1316（也称为Fornax A），距离Fornax星座约6000万光年。

如果这是真的，这一发现就消除了在黑洞中心形成奇点的必要性，解决了长期以来的争论。这也意味着，不需要更多的东西（不需要新的力或修改的引力理论），我们的宇宙学模型就有意义。来自英国科技设施委员会（STFC）监管的研究委员会 Ral Space 的研究员克里斯·皮尔森（Chris Pearson）博士和帝国理工学院物理系的戴夫·克莱门茨（Dave Clements）博士是这项研究的共同作者。

克里斯·皮尔森在 RAL Space 的新闻发布会上说：“如果这个理论成立，那么这将彻底改变宇宙学领域，因为我们终于找到了困扰宇宙学家和理论物理学家20多年的暗能量起源的解决方案。这真是一个令人惊讶的结果。我们开始研究黑洞是如何随着时间的推移而增长的，可能已经找到了宇宙学中最大问题之一的答案。”

需要特别的证据

研究小组通过研究巨型椭圆星系中心的超大质量黑洞的进化史得出了这一结论。这指的是在宇宙早期形成的一种“早期星系”，后来停止了恒星的形成（又名：休眠星系）。几十年的观测表明，黑洞可以通过两种方式增加质量：通过吸积物质或与黑洞合并。正如他们在第一篇论文中指出的那样，研究小组研究了红移小于 z<2 的巨型椭圆星系（因为它们在90亿年前出现过）。

上图：艺术家对早期宇宙中黑洞合并的描绘。

这些休眠星系几乎没有剩余的物质让它们的 SMBH 增生，这意味着上述两种机制无法解释进一步的增长。然后，研究小组将这些椭圆星系的观测结果，与大约66亿年前的本地星系进行了比较，这些椭圆星系看起来还很年轻，但现在已经处于休眠状态。这些观察表明，中小型黑洞比90亿年前大了7到20倍，比通过吸积或合并所预测的要大得多。

在他们的第二篇论文中，他们进一步阐述了在星系演化的不同阶段（约72亿年前）对相关星系种群的测量，是如何显示出SMBHs的质量与宇宙大小之间的类似相关性。这构成了“宇宙耦合”的第一个证据，表明宇宙的膨胀和超大质量黑洞的增长是相关的。如果进一步的观测证实了这一点，它将有效地重新定义我们对宇宙和黑洞本质的理解。天文学家邓肯·法拉总结道：

“我们实际上是在同时说两件事：有证据表明，典型的黑洞解决方案在很长很长的时间尺度上并不适用，我们有第一个提出的暗能量的天体物理来源。不过，这并不意味着其他人没有提出暗能量的来源，而这是第一篇我们没有在宇宙中添加任何新的东西作为暗能量来源的观测论文：爱因斯坦引力理论中的黑洞就是暗能量。”

相关性，而不是耦合？

自然，这些说法遭到了天文/天体物理界的一些质疑。特别是，作者声称，他们的观察构成了耦合的证据，但由于将相关性与因果关系混为一谈而受到了挑战。天体物理学家、作家、科学传播者和福布斯高级撰稿人伊森·西格尔（Ethan Siegel）在最近一期的《Ask Ethan》中谈到了这个问题 —— 这是他专栏的一个特别系列。在节目中，他回答观众的问题。在检查他们的研究后，伊森·西格尔注意到作者的结论是如何建立在一个主要假设之上的。

上图：宇宙从大爆炸到今天的扩张。

这个假设是，“中心黑洞的质量和星系内恒星的质量之间存在一种普遍的关系，这种关系可以随着宇宙时间的推移而演变，但在任何特定的时间都应该是普遍的。”由此，他们比较了他们为样本数据选择的超大质量黑洞，以确定是否有一个“耦合参数”（用K表示）在宇宙时间内具有相同的值。最后，该团队以99.8%的置信度确定K具有非零值。虽然，表面上令人信服，但这个结论归结为一种假定的关系。天体物理学家伊森·西格尔总结道：

“作者假设存在一种不存在的耦合，并将黑洞与恒星质量比的感知演变归因于耦合，而实际发生的是这些星系和它们的黑洞正在进化。由于我们只是在时间上测量每个星系的“快照”，我们无法知道任何单个物体是如何演变的，而这种特殊的方法正是文章作者欺骗自己，进而欺骗任何相信他们的人的方式。”

还记得一句著名的格言吗？“非凡的主张需要非凡的证据。”反复验证结果的能力，是证据被认为是可靠的最重要的限定条件之一。换句话说，结果必须一次又一次地证明，（最好）使用不同的方法。因此，论文作者也承认这一点，并希望反复的观察将证实他们的观点。但就目前而言，他们的说法仍然非同寻常，（考虑到其影响）需要进一步调查。

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