Черные дыры и космическое расширение: новые сведения о темной энергии

Согласно новому исследованию, в расширяющейся Вселенной скорость расширения Вселенной на горизонте событий каждой черной дыры должна быть константой в уравнениях Эйнштейна. Это означает, что единственной энергией, присутствующей на горизонте событий, является темная энергия.

Происхождение черных дыр и горизонта событий

Черные дыры, небесные объекты с экстремальной плотностью и настолько сильной гравитацией, что даже свет не может их покинуть, были впервые предсказаны Карлом Шварцшильдом в 1916 году.

Используя уравнения общей теории относительности Эйнштейна, Шварцшильд описал массивный, не вращающийся, идеально сферический объект, что привело к появлению концепции горизонта событий. Представьте себе критическую поверхность, окружающую черную дыру, где любая материя или энергия внутри нее неумолимо притягивается к центру черной дыры. Таким образом, горизонт событий считается точкой невозврата.

С тех пор астрономы обнаружили, что большинство галактик, включая Млечный Путь, содержат сверхмассивные черные дыры в своих центрах.

Новое открытие

Недавно исследование под руководством Никодема Поплавского из Университета Нью-Хейвена пролило новый свет на связь между черными дырами и расширением Вселенной.

По сути, исследователь обнаружил, что в расширяющейся Вселенной уравнения Эйнштейна диктуют, что скорость расширения Вселенной из космоса до горизонта событий черной дыры является константой, однозначно связанной с космологической постоянной. Ее часто интерпретируют как плотность энергии вакуума пространства-времени и теперь называют плотностью темной энергии.

Чтобы прийти к такому выводу, Поплавский использовал решение МакВитти, которое было разработано в 1933 году британским математиком и космологом Джорджем МакВитти. Он решил уравнения Эйнштейна, чтобы описать структуру пространства-времени вокруг массы в расширяющейся Вселенной. Он показал, что вблизи этой массы пространство-время напоминает пространство, описанное Шварцшильдом, с горизонтом событий, а дальше от массы Вселенная расширяется подобно нашей современной Вселенной.

Какие последствия?

Таким образом, Поплавский обнаружил, что скорость расширения пространства у горизонта событий должна быть постоянной. Как уже говорилось, она однозначно связана с космологической постоянной, или плотностью темной энергии, из чего следует, что энергия, присутствующая на горизонте событий, однозначно является темной энергией.

Последствия этого открытия весьма значительны. Во-первых, оно предполагает, что Вселенная расширяется не равномерно, а что разные регионы расширяются с разной скоростью, что известно как “хаббловское напряжение”. Это напряжение возникает из-за разницы между измерениями скорости расширения Вселенной в зависимости от того, основаны ли они на более старых или более поздних наблюдениях, таких как космологический диффузный фон.

Поплавский утверждает, что эту разницу можно объяснить, если правильно проанализировать пространственное время вокруг черных дыр в расширяющейся Вселенной с помощью общей теории относительности Эйнштейна. Другими словами, вариации в скорости расширения можно объяснить эффектами гравитации и пространства-времени вблизи массивных объектов, таких как черные дыры.

Кроме того, его расчеты показывают, что для учета этих вариаций расширения космологическая постоянная, которая представляет собой плотность темной энергии, должна иметь положительное значение. Эта постоянная необходима для того, чтобы Вселенная оставалась открытой и постоянно расширялась. Если бы она была отрицательной или нулевой, Вселенная была бы закрытой и не могла бы поддерживать наблюдаемое расширение, что противоречило бы существующим данным.

В конечном итоге работа Никодема Поплавского не только обогащает наше понимание черных дыр, но и может изменить наш взгляд на расширение Вселенной и темную энергию. Эти открытия порождают новые вопросы и гипотезы, продвигая исследования в области космологии к ранее неизведанным горизонтам.