黑洞是暗能量的根源?新科學發現如何改寫我們的宇宙想像

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潮汐瓦解事件 ASASSN-14li 的渲染圖;一顆恆星太接近大質量黑洞而被撕碎,碎片聚集到黑洞周圍的吸積盤中。 圖片來源:NASA

2 月 15 日,來自全球 9 個國家共 19 名科學家,在權威學術期刊「天體物理學雜誌快報」(Astrophysical Journal Letters)共同發表一則驚人的天文學發現,團隊透過橢圓星系(elliptical galaxies)中央黑洞的觀測,指出黑洞是暗能量的來源,解開了一道困擾科學界數十年的難題,亦為人類了解宇宙之謎踏出了一大步。

研究團隊成員、英國公開大學的 Chris Pearson 和倫敦帝國學院的 Dave Clements 就在 The Conversation 簡單歸納研究成果。過去科學家透過星體和銀河觀察,推斷出暗能量(dark energy)的存在,但並不知道暗能量究竟是甚麼東西,又是從何而來。 我們日常生活接觸觀察到的物質,只佔宇宙質能總量的大約 5%,其餘 27% 是不會吸收、反射或發光的暗物質(dark matter),另外還有大約 68% 是由暗能量所組成。

研究團隊觀察一個演化了 90 億年,在星系中心的超級黑洞,並首次發現能證明「宇宙耦合」(cosmological coupling)現象的證據。該現象是指黑洞隨歲月增長,與宇宙膨脹互相關聯。其實早在上世紀 60 年代,已經有學者指出黑洞可能載有「真空能量」(vacuum energy),與暗能量的概念相似。不過這次研究就假設這股能量會隨時間上升,而宇宙膨脹是「宇宙耦合」的結果。團隊指出,現時可以計算出的暗能量都可能源於黑洞。

1990 年代末前,不少科學家相信我們身處的世界乃隨著在 137 億前一場大爆炸(Big Bang)而展開,該場爆炸釋放出來的能量令宇宙急速膨脹,並預期宇宙膨脹的速度會因為各種物質的引力而放慢。不過美國「哈勃太空望遠鏡」(Hubble Space Telescope)捕捉的數據則顯示,今天宇宙膨脹的速度其實比過去還要快,變相推翻過去數十年主流的「引力放緩論」,而專家一直都無法解釋宇宙加速膨脹的謎團。

有學者就提出暗能量把物質推開的力量,比起引力更加強勁。這個理念接近愛恩斯坦(Albert Einstein)提出的宇宙常數(cosmological constant),認為有種力量在對抗引力,防止宇宙崩解。要理解暗能量就要同時了解黑洞的概念。黑洞誕生通常源於大型星體爆炸和死亡,造成的強大引力和壓力會令大量物質壓縮到一個細小空間。黑洞的引力異常強大,連光線都無法掙脫。黑洞會因為吞噬星體,甚至是其他黑洞而不斷擴大。

研究團隊比對過一些橢圓星系的數據。橢圓星系的特質是星團數量很少,這些年老衰亡的星系已經用盡了能量,於是黑洞擴張並不能從物質吞噬的角度解釋。研究團隊認為這引證了「宇宙耦合」的論點,黑洞含有真空能量,故此其和宇宙兩者會因相互「耦合」而同時擴張。研究團隊認為,他們的推論不單解釋了宇宙暗能量的由來,也讓我們從根本反思黑洞在宇宙的角色。