黑洞与暗能量
作者：苗千
暗能量堪称当代宇宙学研究最大的谜题，而位于星系中心的超大质量黑洞也是宇宙学家研究的重点，其自身也存在着诸多谜题。最近有宇宙学家声称，驱动宇宙加速膨胀的暗能量，可能正是起源于星系中心的超大质量黑洞。把这两个宇宙谜题联系在一起，必定会迅速吸引全世界宇宙学家的注意，也难免会引来强烈的怀疑。
起码以现在的宇宙学知识来看，黑洞与暗能量并无特殊的联系。黑洞虽然看上去神秘且危险，却是广义相对论的必然产物。当一些天体的质量超过某个极限，又因为自身的引力而发生塌缩，就会形成黑洞。主要以质量划分的各种类型黑洞的存在早已被各项宇宙学观测所证实。超大质量黑洞则是尤为特殊的一种黑洞。它的质量极其巨大，可以达到数百万甚至数十亿个太阳的质量。目前宇宙学家认为，在绝大多数星系的中心，都存在一个超大质量黑洞。
相比之下，暗能量则要神秘得多。人类直到20世纪末，才通过几组测量星系与地球距离的精密实验发现，几乎一切天体都在远离银河系，而距离越远的天体逃离的速度也就越快——这说明有一种神秘的能量在对抗引力，且让宇宙加速膨胀。宇宙学家直到现在也无法确定这种能量的来源，就只能给它取名“暗能量”。
看似毫无关联的暗能量和黑洞又如何联系在了一起？在本质上，这还是源于目前人们对暗能量的本质缺乏理解，对超大质量黑洞的生长过程也不清楚，因此通过一些猜想在两者之间建立了联系。暗能量能够抵抗宇宙中物质的引力作用，推动整个宇宙加速膨胀。很多物理学家猜测，它的本质可能与量子力学中通过不确定性原理推导出的“真空能”（vacuum energy）有关，甚至有人认为，暗能量就是源于真空能。但问题在于，通过对宇宙膨胀速度的测量以及理论计算，人们发现两者的差距实在太大（超过了10120倍），堪称物理学计算中最大的误差，甚至有人称之为“真空灾难”（vacuum catastrophe）。
于是，物理学家们试图从其他方面为暗能量找来处。早在20世纪60年代就有人预测，根据爱因斯坦方程，如果真空能聚集在一起成为一个巨大的球体，那么在外界观察者看来，它的表现与一个巨大的黑洞相同。通过这样的解释，我们或许可以想象，暗能量的分布并不像宇宙学家们所设想的那样遍布整个宇宙空间，而是集中在星系中心的超大质量黑洞中，但它们仍然起到了对抗引力、推动宇宙加速膨胀的作用。
也就是说，根据这样的解释，宇宙学家们所观测到的位于大多数星系中心区域的超大质量黑洞，实际上可能是由真空能聚集在一起形成的球体。可以说，这样的想象虽然看上去过于异想天开，却解答了一个宇宙学难题：目前宇宙学家们仍然不理解，这些质量动辄数百万个太阳的超大质量黑洞究竟是如何形成的。
如果这些超大质量黑洞真的是由真空能构成，那么根据量子力学，它们自身也会随着宇宙的变化而发生变化。比如说，如果宇宙空间膨胀了一倍，那么它们的质量也会随之增加一倍。为了验证这个假说，以夏威夷大学的宇宙学家邓肯·法拉（Duncan Farrah）为首，来自9个国家的17名学者对一些星系进行了测量。他们选择了一种名为“巨椭圆星系”（giant elliptical galaxies）的特殊星系——这类星系在宇宙早期开始形成和发展，随后便进入休眠状态，不再形成新的恒星。而这些星系中心的超大质量黑洞的质量都在数百万到数十亿个太阳质量之间——在星系中如果没有太多的气体和灰尘等星际物质，那么位于星系中心的超大质量黑洞就难以通过吸收这些物质以增加自身的质量。
法拉与合作者们观测了这些星系在最近90亿年间的成长轨迹。经过分析发现，在这段时间内，位于中心位置的超大质量黑洞一开始看上去较小，而后它们的质量随着时间增长了7到10倍，这个增长速度明显超过了星系自身的增长速度。法拉认为，观测结果符合猜想——这些星系中心的超大质量黑洞很可能就是由推动宇宙加速膨胀的暗能量构成。而其质量也随着宇宙的膨胀而增长，这个现象被称为“宇宙耦合”（cosmological coupling）。
2023年2月20日，法拉与同事在《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）发表论文《关于黑洞的宇宙耦合观测证据以及其作为暗能量来源的天体物理学联系》（Observational Evidence for Cosmological Coupling of Black Holes and its Implications for an Astrophysical Source of Dark Energy），报告了他们的分析结果。
这样的分析结果显然无法说服所有宇宙学家。最显而易见的问题出在数字上：暗能量是宇宙中最重要的组成部分，占到整个宇宙质能总量的70%，而黑洞只属于物质的一部分，只占到整个宇宙质能的不到5%。更多宇宙学家则采取了观望态度——他们认为，如果超大质量黑洞与暗能量确实存在某种关联，那么必然还存在其他可观测的效应。虽然这个将暗能量与超大质量黑洞联系在一起的解释初看起来有些荒诞，却是目前唯一一个有宇宙学观测证据的解释。如果宇宙学家能够在未来获得进一步的证据，便有可能完全改变人类对于黑洞，乃至整个宇宙的认知。
〔本文写作参考了《科学》（Science）杂志以及帝国理工学院网站的相关报道〕 黑洞