Sanatçının süper kütleli bir kara delik izlenimi. Kozmolojik eşleşme, karadeliklerin gaz veya yıldız tüketmeden kütle olarak büyümesini sağlar. Kredi: UH Manoa
Manoa’daki Hawaiʻi Üniversitesi’ndeki bilim adamlarının liderliğindeki bir araştırma ekibi, 9 milyar yıla yayılan mevcut verileri araştırarak, yeni tahmin edilen bir “kozmolojik eşleşme”nin ilk kanıtını ortaya çıkardı. Einstein’ın yerçekimi teorisindeki fenomen, yalnızca kara delikler gelişen bir evrenin içine yerleştirildiğinde mümkündür.
Astrofizikçiler Duncan Farrah ve Kevin Croker, Hawaiʻi’nin galaksi evrimi ve yerçekimi teorisindeki uzmanlığını gözlem ve analizle birleştiren bu iddialı çalışmaya öncülük ettiler. gerçek kara deliklerin içinde nelerin var olabileceğine dair ilk içgörüyü sağlamak için dokuz ülkedeki araştırmacıların deneyimi.
Croker, “LIGO, 2015’in sonlarında ilk kara delik çiftinin birleştiğini duyduğunda her şey değişti,” dedi. “Sinyal, kağıt üzerindeki tahminlerle mükemmel bir uyum içindeydi, ancak bu tahminleri milyonlarca veya milyarlarca yıla mı uzatıyordu? Bu kara delik modelini genişleyen evrenimize mi uyduruyorsunuz? Bunun nasıl yapılacağı hiç net değildi.”
Ekip yakın zamanda, biri The Astrophysical Journal’da, diğeri The Astrophysical Journal Letters’da olmak üzere, Dünya’nın kalbindeki süper kütleli karadelikleri inceleyen iki makale yayınladı. eski ve uykuda olan gökadalar.
Araştırmacılar, merkezi karadeliklerinin kütlesinin son 9 milyar yıl içinde değişip değişmediğini belirlemek için Messier 59 gibi eliptik gökadaları inceledi. Işığın düzgün dağılımı milyarlarca yıldızdır. Kaynak: ESA/Hubble & NASA, P. Cote
İlk makale, bu kara deliklerin milyarlarca yılda, standart galaksi ve kara deliklerle kolayca açıklanamayacak şekilde kütle kazandığını buldu. gazın birleşmesi veya birikmesi gibi süreçler.
İkinci makale, bu kara deliklerin kütlelerindeki artışın, yalnızca kozmolojik olarak çiftleşmekle kalmayan, aynı zamanda vakum enerjisini de içine alan kara deliklerle ilgili tahminlerle eşleştiğini ortaya koyuyor. Einstein’ın denklemlerini bozmadan maddeyi mümkün olduğu kadar sıkmak, böylece bir tekillikten kaçınmak.
Tekillikler yokken, makale, karadeliklerin evrenin ilk yıldızlarının ölümlerinde üretilen birleşik vakum enerjisinin, evrenimizdeki karanlık enerjinin ölçülen miktarı.
“Gerçekten aynı anda iki şey söylüyoruz: tipik kara delik çözümlerinin uzun, çok uzun bir zaman ölçeğinde işinize yaramadığına dair kanıtlar var ve biz karanlık enerji için önerilen ilk astrofiziksel kaynak,” dedi Far rah, her iki makalenin de baş yazarı.
“Bunun anlamı, diğer insanların karanlık enerji kaynakları önermediği değil, ancak bu, yeni bir şey eklemediğimiz ilk gözlemsel makale. Einstein’ın yerçekimi teorisindeki kara delikler karanlık enerjidir.”
Bu yeni ölçümler, daha fazla kanıtla desteklenirse, kara deliğin ne olduğu konusundaki anlayışımızı yeniden tanımlayacaktır.
Dokuz milyar yıl önce
İlk çalışmada ekip, kozmolojik eşleşme aramak için mevcut kara delik ölçümlerinin nasıl kullanılacağını belirledi.
“Bu projeye olan ilgim Farrah, onlara ne kadar uzun baktığınızdan bağımsız olarak çalışan kara delikler için bir modeli destekleyen gözlemsel kanıtları belirlemeye yönelik genel bir ilgiden doğdu” dedi. “Genel olarak bu çok ama çok zor bir şey çünkü kara delikler inanılmaz derecede küçükler, onları doğrudan gözlemlemek inanılmaz derecede zor ve çok çok uzaktalar.”
{ 14}Caldwell 53 (NGC 3115), merkezinde bulunabilen süper kütleli kara delik için en dikkate değerdir. Kredi: NASA, ESA ve J. Erwin (Alabama Üniversitesi)
Karadelikleri uzun zaman ölçeklerinde gözlemlemek de zordur. Gözlemler birkaç saniyede veya en fazla on yılda yapılabilir – bir kara deliğin evrenin ömrü boyunca nasıl değişebileceğini saptamak için yeterli bir süre değil.Michigan Üniversitesi’nden bir fizikçi olan ortak yazar Gregory Tarlé, “O zaman günümüzde aynı popülasyonu veya atasal olarak bağlantılı bir popülasyonu görmeniz ve kütlelerini tekrar ölçebilmeniz gerekir” dedi. “Bu gerçekten zor bir şey.”
Galaksilerin ömrü milyarlarca yıl sürebildiğinden ve çoğu galaksi süper kütleli bir kara delik içerdiğinden, ekip anahtarın galaksilerde olduğunu fark etti, ancak doğru türleri seçmek NorthWest’te bir galaksi uzmanı olan çalışmanın ortak yazarı Sara Petty, “Literatürde ölçülen galaksilerdeki kara delikler için birçok farklı davranış vardı ve gerçekten herhangi bir fikir birliği yoktu” dedi. Araştırma Görevlileri “Yalnızca pasif olarak gelişen eliptik gökadalardaki kara deliklere odaklanarak bu sorunu çözmeye yardımcı olabileceğimize karar verdik.”
Eliptik gökadalar çok büyüktür ve erken oluşur. Galaksi topluluğunun fosilleridir. Gökbilimciler bunların, trilyonlarca eski yıldızdan oluşan çok büyük boyutlardaki galaksi çarpışmalarının nihai sonucu olduklarına inanıyor.
5’teki kara delik kütlelerini karşılaştırarak k çiftleme kuvvetinin ölçümü eski eliptik gökadaların farklı koleksiyonlarından günümüz eliptik gökadalardaki karadeliklere kadar. Ölçümler k = 3 civarında kümeleniyor, bu da kara deliklerin tekillik yerine vakum enerjisi içerdiğini ima ediyor. Kredi bilgileri: Farrah ve ark. 2023 [ApJ Mektubu]
Ekip, yalnızca yakın zamanda etkinlik göstermeyen eliptik gökadalara bakarak, gökadaların kara delik kütlelerindeki herhangi bir değişikliğin diğer bilinen süreçlerden kolayca kaynaklanamayacağını savunabilir. Ekip daha sonra bu popülasyonları kullanarak, merkezdeki kara deliklerin kütlesinin son 9 milyar yıl boyunca nasıl değiştiğini inceledi.
Kara deliklerin kütlesel büyümesi yalnızca toplanma veya birleşme yoluyla gerçekleştiyse, o zaman bu kara deliklerin kütleleri pek değişmesi beklenemez. Ancak karadelikler genişleyen evrenle eşleşerek kütle kazanıyorsa, pasif olarak gelişen bu eliptik galaksiler bu olguyu ortaya çıkarabilir.
Araştırmacılar, zamanda ne kadar geriye giderlerse kara deliklerin kütlelerinin o kadar küçük olduğunu keşfettiler. , bugünkü kütlelerine göre. Bu değişiklikler büyüktü: Kara delikler bugün 9 milyar yıl öncesine göre 7 ila 20 kat daha büyüktü; araştırmacıların kozmolojik eşleşmenin suçlu olabileceğinden şüphelenmelerine neden olacak kadar büyüktü.
Kara deliklerin kilidini açma
İkinci çalışmada ekip, ilk çalışmada ölçülen kara deliklerdeki büyümenin tek başına kozmolojik eşleşmeyle açıklanıp açıklanamayacağını araştırdı.
“İşte bir oyuncak analojisi. Croker, “Birleştirilmiş bir kara deliği, evren genişledikçe gerilen bir lastik bant gibi düşünebilirsiniz” dedi. “Uzundukça enerjisi artıyor. Einstein’ın E = mc2’si size kütle ve enerjinin orantılı olduğunu, dolayısıyla kara delik kütlesinin de arttığını söyler.”
Kütlenin ne kadar artacağı, araştırmacıların k olarak adlandırdığı bir değişken olan eşleşme gücüne bağlıdır.
“Lastik bant ne kadar sertse, esnetmek o kadar zor olur, yani gerildiğinde o kadar fazla enerji olur. Özetle, bu k,” dedi Croker.
Kozmolojik eşleşmeden kara deliklerin kütlesel büyümesi evrenin boyutuna bağlı olduğundan ve evren geçmişte daha küçük olduğundan, ilk çalışmada kara delikler kozmolojik eşleştirme açıklamasının işe yaraması için doğru miktarda daha az kütleli olması gerekir.
Ekip, evrenin kabaca yarısı ve daha küçük olduğu bir dönemden alınan, üç farklı eliptik gökada topluluğundaki beş farklı kara delik popülasyonunu inceledi. şimdiki boyutunun üçte biri. Her karşılaştırmada, k’nin neredeyse pozitif 3 olduğunu ölçtüler.
İlk gözlemsel bağlantı
2019’da bu değer, Croker tarafından bir tekillik yerine vakum enerjisi içeren kara delikler için tahmin edilmişti. , ardından bir yüksek lisans öğrencisi ve bir UH Manoa matematik profesörü olan Joel Weiner.
Sonuç derin: Croker ve Weiner, k’nin 3 olması durumunda tüm kara deliklerin kara delikler olduğunu zaten göstermişti. Evren, tıpkı karanlık enerji ölçümlerinin gösterdiği gibi, topluca neredeyse sabit bir karanlık enerji yoğunluğuna katkıda bulunur.
Kara delikler ölü büyük yıldızlardan gelir, yani kaç tane büyük yıldız yaptığınızı biliyorsanız, kaç tane büyük yıldız yaptığınızı tahmin edebilirsiniz. yaptığınız kara delikler ve kozmolojik eşleşmenin bir sonucu olarak ne kadar büyüdükleri. Ekip, James Webb Uzay Teleskobu tarafından sağlanan en erken yıldız oluşum hızı ölçümlerini kullandı ve sayıların sıralı olduğunu buldu.
Araştırmacılara göre, çalışmaları teorik fizikçiler ve astronomlar için bir çerçeve sağlıyor. fikre ışık tutmak için daha fazla test yapmak ve Karanlık Enerji Spektroskopik Enstrümanı ve Karanlık Enerji Araştırması gibi mevcut nesil karanlık enerji deneyleri için.
“Bu doğrulanırsa, dikkate değer bir sonuç olacaktır; yeni nesil kara delik çözümlerine giden yol,” dedi Farrah.
Croker ekledi, “Evrenin şu anda neden hızlandığını açıklayan bu ölçüm, Einstein’ın yerçekiminin gerçek gücüne güzel bir bakış sunuyor.Bu ne kadar harika?”
Referanslar:
“A Preferential Growth Channel for Supermassive Black Holes in Elliptical Galaxies at z ≲ 2”, yazan Duncan Farrah, Sara Petty, Kevin S. Croker, Gregory Tarlé, Michael Zevin, Evanthia Hatziminaoglou, Francesco Shankar, Lingyu Wang, David L Clements, Andreas Efstathiou, Mark Lacy, Kurtis A. Nishimura, Jose Afonso, Chris Pearson ve Lura K Pitchford, 15 Şubat 2023, The Astrophysical Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/acac2e
“Kara Deliklerin Kozmolojik Eşleşmesine İlişkin Gözlemsel Kanıt ve Karanlık Enerjinin Astrofiziksel Kaynağı İçin Etkileri”, 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, The Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847/20 41-8213/acb704
.