宇宙的暗能量来自超大质量的黑洞？物理学家对激进的想法争论不休

本周早些时候，一项研究成为头条新闻，该项研究声称宇宙学家认为正在加速宇宙膨胀的神秘“暗能量”可能来自星系中心的超大质量黑洞。如果属实，这种联系将把物理学中两个最令人费解的概念——黑洞和暗能量——联系起来，并表明后者的来源几十年来一直在理论家的眼皮底下。然而，也有许多科学家对这个想法深表怀疑。

“他们提出的建议对我来说毫无意义，”芝加哥大学的理论物理学家罗伯特沃尔德说，他专门研究爱因斯坦的广义相对论，即对引力的标准理解。其他理论家更容易接受激进的主张——即使它最终是错误的。“我个人对此感到很兴奋，”周界理论物理研究所的天体物理学家Niayesh Afshordi说。

乍一看，黑洞和暗能量似乎毫无关系。根据广义相对论，黑洞这种奇特的事物被认为是在大质量恒星坍缩到无穷小点时出现的，只留下它们的引力场。据信，质量是太阳数百万或数十亿倍的超大质量黑洞潜伏在星系中心。

相比之下，暗能量是一种神秘的现象，它确实会拉伸空间并加速宇宙的膨胀。科学家认为，暗能量可以代表太空中的某种新型场，有点像电场，或者它可能是真空本身的基本属性。

那么这两者怎么可能联系起来呢？量子力学表明真空空间应该包含一种称为真空能量的能量。这被认为遍及整个宇宙并施加反引力，使其成为暗能量身份的主要候选者。1966 年，苏联物理学家 Erast Gliner 表明，爱因斯坦方程还可以产生在外部观察者看来和行为都与黑洞完全一样的物体——但实际上是巨大的真空能量球。

如果存在这样的物体，那就意味着暗能量实际上并没有均匀地分布在整个空间，而是局限于特定的位置：黑洞的内部。即使束缚在这些特定的结中，暗能量仍会对宇宙发挥其空间拉伸作用。

夏威夷大学马诺阿分校的天体物理学家Duncan Farrah说，超大质量黑洞是暗能量的来源这一想法的某个结果是，它们将与不断拉伸的空间相关联，并且它们的质量应该随着宇宙的膨胀而变化. “如果宇宙的体积翻倍，黑洞的质量也会翻倍，”他补充道。

为了测试这种可能性，Duncan Farrah和他的同事们研究了椭圆星系，这些星系的中心包含质量是太阳数百万或数十亿倍的黑洞。他们专注于恒星之间，几乎没有气体或尘埃漂浮的星系，这将为中央黑洞提供物质储备。在宇宙历史的进程中，这样的黑洞预计不会发生太大变化。

然而，通过分析大约90亿年来椭圆星系的特性，该团队发现早期宇宙中的黑洞相对于它们的宿主星系比现代宇宙中的黑洞小得多，这表明它们已经增长了7到10倍（Duncan Farrah及其同事本月在《天体物理学杂志》上报道了质量倍数）。

Duncan Farrah说，黑洞膨胀而星系没有膨胀的事实是关键。如果黑洞是通过吞吸附近的气体和尘埃而长大的，那么这些物质应该也会在远离黑洞的星系部分产生许多新的恒星。但是，如果黑洞是由暗能量构成的，那么它们会对宇宙大小的变化做出反应，就像研究人员在椭圆星系中心观察到的那样。

沃尔德没有被说服。他质疑一个纯粹的暗能量球体如何能够稳定。他还说，这些数字似乎并不相符：众所周知，暗能量占宇宙质能的70%，而黑洞只是普通物质的一小部分，普通物质所占比例不到宇宙质能的5%。他说：“我不明白这些物体与观察到的暗能量有什么关系。”

其他人则持观望态度。“目前，这是一个有趣的可能性，”悉尼大学的宇宙学家Geraint Lewis 说，但“如果这是一个看似可信的暗能量来源，就必须有更多的证据摆在桌面上。”

阿夫索迪同意。他说，如果黑洞和暗能量以这种方式联系在一起，它可能会在宇宙中产生其他可见的后果。不过目前，他不确定那些会是什么。他补充说，确切地确定星系如何随时间演化是一件棘手的事情，而且可能还有其他团队没有考虑过的黑洞生长机制。

尽管如此，阿夫索迪支持重新思考关于宇宙的基本假设的努力。“大多数新的理论想法都被怀疑论者驳回了，”他说。“但如果我们摒弃所有新想法，那么就不会任何新的发展。”