我们的宇宙始于一个谜团。在大爆炸后的 1 亿年里，它一直在膨胀。然后发生了一些奇怪的事情——这种膨胀突然加速，并且此后一直加速。
如今，宇宙学家认为某种压力必然促使了这种加速，而这一切都由一个未知来源的巨大能量驱动。宇宙学家称之为暗能量。但为什么会发生这种加速膨胀，以及为什么会发生在那个时候，是科学界尚未解决的重大谜团之一。
现在，邓肯·法拉（Duncan Farrah）和夏威夷大学（檀香山）的同事们认为他们找到了答案。他们说，这种加速是黑洞与时空之间一种先前未知的相互作用的结果。他们认为，当时间膨胀时，这种相互作用会使黑洞变得更重，而这种额外的质量会加速宇宙的膨胀，从而产生了我们今天看到的加速膨胀。
时空理论
首先，一些背景知识。这个新想法的起源在于理论物理学家的工作，他们最近表明，黑洞不能独立于它们所在的时空。相反，时空和黑洞必须以某种方式耦合，以至于其中一个的特性发生变化会立即影响另一个的特性。
那么这可能会如何体现呢？一种可能性是，时空在膨胀时发生的任何拉伸都会使黑洞变得更重。一个类似的效应是，同样的拉伸会导致早期宇宙的光在穿过时空到达今天被观测到时发生红移。
法拉及其同事推断，如果这种耦合确实发生，那么早期宇宙中的黑洞将比近期宇宙中的黑洞质量更小。因此，他们通过研究星系中心的超大质量黑洞来寻找证据。
事实证明，距离我们更近、更近的宇宙中的超大质量黑洞比距离我们更远、更早的宇宙中的黑洞质量大 20 倍（相对于它们周围恒星的质量）。“我们发现了这些黑洞在宇宙学上耦合质量增长的证据，”他们说。
这种增长无法用黑洞吞噬附近恒星来解释——因为它们的数量不够。也不能用超大质量黑洞合并（当星系碰撞时）来解释，因为这不会改变附近恒星的质量比。
相反，法拉及其同事认为，这证明了黑洞质量必须与时空耦合，并且随着宇宙的膨胀而增加。事实上，质量随时间的这种变化与这种解释是一致的。
但这种质量本身的增加会对外时空施加压力。法拉及其同事认为，这种压力，也就是暗能量，导致了宇宙的加速膨胀。事实上，他们的计算表明，这种压力的大小与解释观测到的膨胀率所需的数量级一致。
这也解释了为什么加速膨胀仅在宇宙年龄达到 1 亿年后才开始，宇宙学家通过其红移（表示为 z）来称呼这个时间。在这种情况下，z ≈ 0.7。
答案是，因为黑洞是在恒星死亡时形成的，所以它们只能在第一批恒星形成后才开始影响膨胀。这发生在宇宙大爆炸后 1 亿年。
“因此，我们提出，恒星残骸黑洞是暗能量的天体物理起源，解释了在 z ≈ 0.7 时期加速膨胀的开始，”团队说道。
黑暗的起源
这个想法也可以解释宇宙学的另一个重大谜团——为什么我们所能看到的宇宙结构似乎受到我们看不见的物质（所谓的暗物质）的引力作用的影响。
对此的一种假说解释是，暗物质是以大质量致密晕物体（MACHOs）的形式存在的，它们漂浮在星际空间中，但不发射太多辐射，因此难以观测。
法拉及其同事的理论适用于所有尺度的黑洞，从质量是太阳的几倍到质量是太阳的数百万倍。他们指出，最小的黑洞构成了一个符合 MACHO 特性的种群。
“如果这些黑洞分布在星系晕中，它们将形成一个由大质量致密晕物体组成的种群，”法拉及其同事说道。换句话说，他们的理论也解释了暗物质的起源。
该团队还提出了一些可以证明或证伪其理论的预测。例如，他们说，这种黑洞-时空耦合效应应该对宇宙微波背景辐射产生可观测的影响，这是大爆炸的回声，几十年来天文学家一直在以越来越高的精度观测它。法拉及其同事还预测了这种耦合效应应该如何影响天文学家从宇宙各个角落观测到的神秘伽马射线暴的性质。
他们还说，黑洞和时空之间的耦合应该会影响小黑洞合并的速率。“这可能导致合并率显著增加，”他们说道。最近，由于引力波的探测，小黑洞的合并变得可观测。
这些预测在不久的将来应该很容易进行测试。如果法拉及其同事是正确的，那么他们的想法的观测证实应该会在未来几个月和几年内开始陆续到来。
也必然会有争议。但毫无疑问——解释暗能量和暗物质的起源将是天文学的重大突破，并将解决我们这个时代最悬而未决的谜团之一。
参考：黑洞宇宙学耦合的观测证据及其对暗能量天体物理来源的启示：arxiv.org/abs/2302.07878
