จักรวาลกำลังมีการขยายตัวอย่างรวดเร็ว เราเรียกแหล่งที่มาของการขยายตัวนี้– พลังงานรูปแบบลึกลับที่แผ่ซ่านไปทั่วจักรวาล ผลักกาล-อวกาศออกจากกัน เราไม่รู้ว่าพลังงานมืดคืออะไร แต่การมีอยู่ของมันทำให้นักดาราศาสตร์สามารถอธิบายลักษณะต่างๆ มากมายของจักรวาลได้ สมมติฐานใหม่เสนอแนะแหล่งพลังงานที่แปลกประหลาดซึ่งก็คือหลุมดำ
แนวคิดก็คือหลุมดำนั้น "เชื่อมต่อกันทางจักรวาลวิทยา" ซึ่งหมายความว่าเมื่อจักรวาลขยายตัว หลุมดำก็จะใหญ่ขึ้น แต่มันก็อาจหมายถึงสิ่งที่ตรงกันข้ามเช่นกัน เมื่อพวกมันโตขึ้น จักรวาลก็จะขยายใหญ่ขึ้น พลังงานมืดเป็นเพียงสสาร ซึ่งเป็นพลังงานรูปแบบหนึ่ง ที่เกิดขึ้นเมื่อคุณก่อตัวหลุมดำ เมื่อหลุมดำกลืนกินดาวฤกษ์หรือพลาสมาระหว่างดวงดาว มันจะผลิตพลังงานมืดมากขึ้น แนวคิดนี้ไม่ใช่เรื่องใหม่ จริงๆ แล้วมันมาจากฟิสิกส์ของหลุมดำในทศวรรษ 1960 ก่อนที่เราจะรู้ว่าจักรวาลกำลังขยายตัวด้วยความเร่ง
นี่เป็นเหมือนของชายแดนอย่างแน่นอน เราไม่รู้ทุกอย่างเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นที่นี่ โดยพื้นฐานแล้วเรารู้แค่ภาพร่างของมันเท่านั้น
ดร.เควิน โครเกอร์
ทีมงานใช้ข้อมูลจากเครื่องมือสเปกโทรสโกปีพลังงานมืดซึ่งช่วยให้เราสามารถประมาณขนาดของจักรวาล ณ จุดต่างๆ ของเวลาได้ นักวิจัยได้รวมข้อมูลนี้เข้ากับอัตราการก่อตัวดาวฤกษ์ที่ทราบในจักรวาลในขณะนั้น จากนั้นจึงเปรียบเทียบทั้งสอง
“เราเพิ่งป้อนข้อมูลการก่อตัวดาวฤกษ์ในสถานการณ์นี้และเราถามว่า: โอเค จักรวาลจะใหญ่แค่ไหนตามสถานการณ์นี้? หากการผลิตหลุมดำเป็นการผลิตพลังงานมืดจริง ๆ และการผลิตหลุมดำนั้นติดตามด้วยอัตราการก่อตัวดาวฤกษ์ แล้วจักรวาลจะเติบโตเร็วแค่ไหน?”ดร.เควิน โครเกอร์จากมหาวิทยาลัยรัฐแอริโซนา กล่าวกับ IFLScience
สิ่งที่พวกเขาพบคือข้อตกลงที่ดีระหว่างการเติบโตของหลุมดำและการขยายตัวของจักรวาล การตายของดาวมวลมากทำให้เกิดหลุมดำและปริมาณพลังงานมืดในจักรวาลเพิ่มขึ้น นี่อาจเป็นเพียงความสัมพันธ์ที่น่าสนใจ แต่ก็มีผลกระทบบางอย่างที่ทำให้สมาชิกในทีมน่าสนใจ
การแก้ปัญหาหลุมดำในฐานะหยดพลังงานมืดช่วยแก้ปัญหาในการศึกษาหลุมดำเนื่องจากหลุมดำไม่จำเป็นต้องมีเอกภาวะที่ศูนย์กลาง นั่นเป็นความท้าทายที่สำคัญต่อทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป นอกจากนี้ยังช่วยแก้ปัญหาว่าพลังงานมืดมาจากไหน แม้ว่าทีมงานจะไม่ทราบว่าการแปลงสสารปกติ (เรียกว่าแบริออน) ภายในหลุมดำสร้างพลังงานมืดได้อย่างไร
สุดท้ายแต่ไม่ท้ายสุด มันช่วยแก้ปัญหา– ปัญหาทางดาราศาสตร์ที่วิธีการต่างกันทำให้เกิดการประมาณอัตราการขยายตัวของจักรวาลต่างกัน การวัดกาแลคซีพูดสิ่งหนึ่งและการวัดจากพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิก (CMB) - เสียงสะท้อนของบิ๊กแบง - พูดอีกอย่างหนึ่ง
เมื่อใช้วิธีระยะทางกาแลคซี อัตราการขยายตัวจะอยู่ที่ 72.8 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก หน่วยการวัดนี้อาจดูแปลกเล็กน้อยในตอนแรก หมายความว่าหากกาแลคซีสองแห่งอยู่ห่างกัน 1 เมกะพาร์เซก (3.26 ล้านปีแสง) การขยายตัวของเอกภพจะทำให้ดูเหมือนว่าพวกมันกำลังเคลื่อนตัวออกจากกันด้วยความเร็ว 72.8 กิโลเมตร (45.2 ไมล์) ต่อวินาที
ในทางกลับกัน ค่าจาก CMB อยู่ที่ 67.4 กิโลเมตร (41.9 ไมล์) ต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก ความไม่แน่นอนของแต่ละค่ามีขนาดเล็กและไม่ทับซ้อนกัน แต่หากพลังงานมืดมาจากหลุมดำ การวัดที่ดึงมาจาก CMB จำเป็นต้องปรับเปลี่ยน
“หากคุณแปลงสสารแบริออนให้เป็นพลังงานมืดโดยการผลิตหลุมดำ (เพราะหลุมดำเป็นพลังงานมืดก้อนหนึ่ง) อัตราการขยายตัวที่คุณคาดหวังจากบิ๊กแบงจะไม่ใช่ 67.4 [กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก] แต่ โดยพื้นฐานแล้ว 70 นั่นทำให้คุณเข้าใกล้การวัดเวลาล่าช้ามากขึ้น” ดร. โครเกอร์บอกกับ IFLScience
Croker เริ่มต้นงานนี้ร่วมกับ Joel Weiner นักคณิตศาสตร์ที่เคยอยู่ที่มหาวิทยาลัยฮาวาย เขาตรงไปตรงมาเกี่ยวกับความท้าทายต่อแนวคิดนี้ตลอดจนแนวทางแก้ไขที่เป็นไปได้ แม้ว่าสมมติฐานเกี่ยวกับหลุมดำที่อยู่คู่กันทางจักรวาลวิทยาจะมีการสนับสนุนเชิงสังเกต แต่เมื่อเป็นเรื่องเกี่ยวกับจักรวาลทั้งหมด ก็ไม่สามารถอธิบายหลุมดำที่พบในการวิจัยคลื่นความโน้มถ่วงและในกระจุกดาวทรงกลมได้อย่างง่ายดาย
หลุมดำพลังงานมืดจะแก้ปัญหาสำคัญในจักรวาลวิทยาได้ แต่พวกมันอาจไม่สามารถอธิบายการสังเกตการณ์หลุมดำทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ได้ทั้งหมด หลุมดำพลังงานมืดเหล่านี้จะทำงานอย่างไร นั่นคือคำถาม แต่มันไม่ใช่แค่ทางทฤษฎีเท่านั้น ทีมงานกำลังสร้างกรณีเพื่อค้นหาว่าหลุมดำพลังงานมืดเหล่านี้กำลังทำอะไรในจักรวาล
“นี่เหมือนกับสิ่งที่อยู่ชายแดนอย่างแน่นอน” ดร. โครเกอร์อธิบาย “เราไม่รู้ทุกอย่างเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นที่นี่ โดยพื้นฐานแล้วเรารู้แค่ภาพร่างของมัน แต่มีภาพร่างมากพอที่มันสามารถเป็นภาพร่างเชิงปริมาณได้ และเราก็ไปค้นหาเอฟเฟ็กต์เหล่านี้ได้”
บทความที่อธิบายผลลัพธ์เหล่านี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารจักรวาลวิทยาและฟิสิกส์อนุภาคดาราศาสตร์-
