Sanatçının süper kütleli bir kara delik izlenimi. Kozmolojik eşleşme, karadeliklerin gaz veya yıldız tüketmeden kütle olarak büyümesini sağlar. Kredi bilgileri: UH Manoa
Manoa’daki Hawaiʻi Üniversitesi’ndeki bilim adamlarının liderliğindeki bir araştırma ekibi, 9 milyar yıla yayılan mevcut verileri araştırarak, Einstein’ın yerçekimi teorisinde yeni tahmin edilen ve yalnızca kara delikler olduğunda mümkün olan “kozmolojik eşleşme”nin ilk kanıtını ortaya çıkardı. gelişen bir evrenin içine yerleştirildi.
Astrofizikçiler Duncan Farrah ve Kevin Croker, Hawaiʻi’nin galaksi evrimi ve yerçekimi teorisi konusundaki uzmanlığını, gerçek kara deliklerin içinde nelerin var olabileceğine dair ilk içgörüyü sağlamak için dokuz ülkedeki araştırmacıların gözlem ve analiz deneyimleriyle birleştiren bu iddialı çalışmaya öncülük ettiler.
“Ne zaman[{” attribute=””>LIGO heard the first pair of black holes merge in late 2015, everything changed,” said Croker. “The signal was in excellent agreement with predictions on paper, but extending those predictions to millions, or billions of years? Matching that model of black holes to our expanding universe? It wasn’t at all clear how to do that.”
The team has recently published two papers, one in The Astrophysical Journal and the other in The Astrophysical Journal Letters, that studied supermassive black holes at the hearts of ancient and dormant galaxies.
Researchers studied elliptical galaxies like Messier 59 to determine if the mass of their central black holes changed throughout the past 9 billion years. The smooth distribution of light is billions of stars. Credit: ESA/Hubble & NASA, P. Cote
The first paper found that these black holes gain mass over billions of years in a way that can’t easily be explained by standard galaxy and black hole processes, such as mergers or accretion of gas.
The second paper finds that the growth in mass of these black holes matches predictions for black holes that not only cosmologically couple, but also enclose vacuum energy—material that results from squeezing matter as much as possible without breaking Einstein’s equations, thus avoiding a singularity.
With singularities absent, the paper then shows that the combined vacuum energy of black holes produced in the deaths of the universe’s first stars agrees with the measured quantity of dark energy in our universe.
“We’re really saying two things at once: that there’s evidence the typical black hole solutions don’t work for you on a long, long timescale, and we have the first proposed astrophysical source for dark energy,” said Farrah, lead author of both papers.
“What that means, though, is not that other people haven’t proposed sources for dark energy, but this is the first observational paper where we’re not adding anything new to the universe as a source for dark energy: black holes in Einstein’s theory of gravity are the dark energy.”
These new measurements, if supported by further evidence, will redefine our understanding of what a black hole is.
Nine billion years ago
In the first study, the team determined how to use existing measurements of black holes to search for cosmological coupling.
“My interest in this project was really born from a general interest in trying to determine observational evidence that supports a model for black holes that works regardless of how long you look at them,” Farrah said. “That’s a very, very difficult thing to do in general, because black holes are incredibly small, they’re incredibly difficult to observe directly, and they are a long, long way away.”
Caldwell 53 (NGC 3115) is most notable for the supermassive black hole that can be found at its center. Credit: NASA, ESA, and J. Erwin (University of Alabama)
Black holes are also hard to observe over long timescales. Observations can be made over a few seconds, or tens of years at most—not enough time to detect how a black hole might change throughout the lifetime of the universe. To see how black holes change over a scale of billions of years is a bigger task.
“You would have to identify a population of black holes and identify their distribution of mass billions of years ago. Then you would have to see the same population, or an ancestrally connected population, at present day and again be able to measure their mass,” said co-author Gregory Tarlé, a physicist at University of Michigan. “That’s a really difficult thing to do.”
Because galaxies can have life spans of billions of years, and most galaxies contain a supermassive black hole, the team realized that galaxies held the key, but choosing the right types of galaxy was essential.
“There were many different behaviors for black holes in galaxies measured in the literature, and there wasn’t really any consensus,” said study co-author Sara Petty, a galaxy expert at NorthWest Research Associates. “We decided that by focusing only on black holes in passively evolving elliptical galaxies, we could help to sort this thing out.”
Elliptical galaxies are enormous and formed early. They are fossils of galaxy assembly. Astronomers believe them to be the final result of galaxy collisions, enormous in size with upwards of trillions of old stars.
Measurement of coupling strength k by comparing black hole masses in 5 different collections of ancient elliptical galaxies to the black holes in elliptical galaxies today. Measurements cluster around k = 3, implying that black holes contain vacuum energy, instead of a singularity. Credit: Farrah, et al. 2023 [the ApJ Letter]
Ekip, yalnızca yakın zamanda herhangi bir etkinlik göstermeyen eliptik gökadalara bakarak, gökadaların karadelik kütlelerindeki herhangi bir değişikliğin diğer bilinen süreçlerden kolayca kaynaklanamayacağını iddia edebilir. Ekip daha sonra bu popülasyonları kullanarak, merkezi kara deliklerin kütlesinin son 9 milyar yıl boyunca nasıl değiştiğini inceledi.
Karadeliklerin kütlesel büyümesi yalnızca toplanma veya birleşme yoluyla meydana gelseydi, bu karadeliklerin kütlelerinin çok fazla değişmesi beklenemezdi. Ancak karadelikler genişleyen evrenle birleşerek kütle kazanırsa, pasif olarak evrimleşen bu eliptik galaksiler bu fenomeni ortaya çıkarabilir.
Araştırmacılar, zamanda ne kadar geriye baktılarsa, karadeliklerin bugünkü kütlelerine göre kütlelerinin o kadar küçük olduğunu keşfettiler. Bu değişiklikler büyüktü: Kara delikler bugün 9 milyar yıl öncesine göre 7 ila 20 kat daha büyüktü – araştırmacıların kozmolojik eşleşmenin suçlu olabileceğinden şüphelenmelerine yetecek kadar büyüktü.
Kara deliklerin kilidini açmak
İkinci çalışmada ekip, ilk çalışmada ölçülen karadeliklerdeki büyümenin tek başına kozmolojik eşleşme ile açıklanıp açıklanamayacağını araştırdı.
“İşte bir oyuncak benzetmesi. Croker, “Birleştirilmiş bir kara deliği, evren genişledikçe gerilen bir lastik bant gibi düşünebilirsiniz” dedi. “Uzundukça enerjisi artıyor. Einstein’ın E = mc2 size kütle ve enerjinin orantılı olduğunu, dolayısıyla kara delik kütlesinin de arttığını söyler.”
Kütlenin ne kadar arttığı, araştırmacıların adlandırdığı bir değişken olan bağlantı gücüne bağlıdır. k.
“Lastik bant ne kadar sertse, esnetmek o kadar zor olur, bu nedenle esnetildiğinde o kadar fazla enerji olur. Özetle, bu kdedi.
Kara deliklerin kozmolojik eşleşmeden kütle büyümesi evrenin boyutuna bağlı olduğundan ve evren geçmişte daha küçük olduğundan, kozmolojik eşleşme açıklamasının işe yaraması için ilk çalışmadaki kara deliklerin doğru miktarda daha az kütleli olması gerekir. .
Ekip, evrenin kabaca şu anki boyutunun yarısı ve üçte biri olduğu zamanlardan alınan üç farklı eliptik gökada koleksiyonundaki beş farklı kara delik popülasyonunu inceledi. Her karşılaştırmada, bunu ölçtüler k neredeyse pozitifti 3.
İlk gözlemsel bağlantı
2019 yılında bu değer, o zamanlar yüksek lisans öğrencisi olan Croker ve UH Manoa matematik profesörü Joel Weiner tarafından bir tekillik yerine vakum enerjisi içeren kara delikler için tahmin edilmişti.
Sonuç derin: Croker ve Weiner zaten göstermişti eğer k 3 ise, o zaman evrendeki tüm kara delikler, tıpkı karanlık enerji ölçümlerinin önerdiği gibi, toplu olarak neredeyse sabit bir karanlık enerji yoğunluğuna katkıda bulunur.
Kara delikler ölü büyük yıldızlardan gelir, yani kaç tane büyük yıldız oluşturduğunuzu biliyorsanız, ne kadar kara delik yaptığınızı ve kozmolojik eşleşmenin bir sonucu olarak ne kadar büyüdüklerini tahmin edebilirsiniz. Ekip, tarafından sağlanan en erken yıldız oluşum oranının en son ölçümlerini kullandı. James Webb Uzay Teleskobu ve sayıların sıralandığını fark etti.
Araştırmacılara göre, çalışmaları, teorik fizikçiler ve astronomların daha fazla test yapmaları ve Karanlık Enerji Spektroskopik Enstrümanı ve Karanlık Enerji Araştırması gibi mevcut nesil karanlık enerji deneyleri için bu fikre ışık tutması için bir çerçeve sağlıyor.
Farrah, “Doğrulanırsa, bu, yeni nesil kara delik çözümlerine giden yolu işaret eden olağanüstü bir sonuç olacaktır” dedi.
Croker ekledi: “Evrenin neden şimdi hızlandığını açıklayan bu ölçüm, Einstein’ın yerçekiminin gerçek gücüne güzel bir bakış sunuyor. Evrene yayılmış küçük seslerden oluşan bir koro, tüm kozmosa yön vermek için birlikte çalışabilir. Ne kadar serin?”
Referanslar:
Duncan Farrah, Sara Petty, Kevin S. Croker, Gregory Tarlé, Michael Zevin, Evanthia Hatziminaoglou, Francesco Shankar, Lingyu Wang, David L Clements, Andreas Efstathiou “A Preferential Growth Channel for Eliptical Galaxies at z ≲ 2” , Mark Lacy, Kurtis A. Nishimura, Jose Afonso, Chris Pearson ve Lura K Pitchford, 15 Şubat 2023, Astrofizik Dergisi.
DOI: 10.3847/1538-4357/acac2e
Duncan Farrah, Kevin S. Croker, Michael Zevin, Gregory Tarlé, Valerio Faraoni, Sara Petty, Jose Afonso, Nicolas Fernandez, Kurtis A. Nishimura, Chris Pearson, Lingyu Wang, David L Clements, Andreas Efstathiou, Evanthia Hatziminaoglou, Mark Lacy, Conor McPartland, Lura K Pitchford, Nobuyuki Sakai ve Joel Weiner, 15 Şubat 2023, Astrofizik Dergi Mektupları.
DOI: 10.3847/2041-8213/acb704