Тёмная энергия и рождение гигантских чёрных дыр: новый взгляд из глубин Вселенной

Автор: Денис Аветисян

Исследование предлагает альтернативное объяснение быстрого роста сверхмассивных чёрных дыр на ранних этапах развития Вселенной, учитывая динамическую природу тёмной энергии.

Рост сверхмассивных чёрных дыр, начавшийся с <span class="katex-eq" data-katex-display="false">10^2\,M_{\odot}</span> при красном смещении <span class="katex-eq" data-katex-display="false">z = 25</span>, демонстрирует зависимость от космологической постоянной <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\Omega_{\Lambda}</span>, при этом модели с <span class="katex-eq" data-katex-display="false">w_0 = -0.98</span> и <span class="katex-eq" data-katex-display="false">w_a = 0.08</span> предсказывают максимальные массы, сравнимые с наблюдаемыми значениями для чёрных дыр, представленных в работах Bogdánet al.(2024), Furtaket al.(2024), Greeneet al.(2024), Juodžbaliset al.(2024), Harikaneet al.(2023a), Maiolino, Robertoet al.(2024), Maiolinoet al.(2024b) и Kocevskiet al.(2023), при условии непрерывного аккреционного роста, ограниченного светимостью Эдигнтона. — Рост сверхмассивных чёрных дыр, начавшийся с $10^2\,M_{\odot}$ при красном смещении $z = 25$ , демонстрирует зависимость от космологической постоянной $\Omega_{\Lambda}$ , при этом модели с $w_0 = -0.98$ и $w_a = 0.08$ предсказывают максимальные массы, сравнимые с наблюдаемыми значениями для чёрных дыр, представленных в работах Bogdánet al.(2024), Furtaket al.(2024), Greeneet al.(2024), Juodžbaliset al.(2024), Harikaneet al.(2023a), Maiolino, Robertoet al.(2024), Maiolinoet al.(2024b) и Kocevskiet al.(2023), при условии непрерывного аккреционного роста, ограниченного светимостью Эдигнтона.

В работе рассматриваются модели динамической тёмной энергии с отрицательной космологической постоянной для объяснения наблюдаемой функции светимости активных галактических ядер при высоких красных смещениях.

Наблюдаемые телескопом JWST обилие ярких галактик и массивных черных дыр на высоких красных смещениях бросает вызов стандартной ΛCDM-модели. В работе «Early growth of massive black holes in dynamical dark energy models with negative cosmological constant» исследуется возможность объяснения этого явления в рамках динамических моделей темной энергии с отрицательной космологической постоянной. Показано, что при $\Omega_\Lambda \approx -1$ такие модели способны обеспечить необходимый рост черных дыр и одновременно увеличить число галактик и активных ядер галактик, согласуясь с новейшими наблюдениями. Может ли это свидетельствовать о едином космологическом происхождении наблюдаемого избытка ярких галактик, массивных черных дыр и активных ядер галактик на ранних этапах эволюции Вселенной?

Космическая головоломка: вызов стандартной космологической модели

Стандартная космологическая модель, известная как ΛCDM, сталкивается с растущим количеством противоречий с данными наблюдений. Эта модель, описывающая эволюцию Вселенной от Большого взрыва до настоящего времени и включающая в себя темную материю и темную энергию, долгое время успешно объясняла многие астрономические явления. Однако, все больше точных измерений, полученных с помощью современных телескопов, демонстрируют отклонения от предсказаний ΛCDM. Расхождения касаются таких ключевых параметров, как скорость расширения Вселенной — постоянная Хаббла — и степень неоднородности ранней Вселенной, что указывает на необходимость пересмотра фундаментальных предположений или поиска новых физических процессов, лежащих в основе космологической картины мира. Накопление этих нестыковок ставит под вопрос полноту и точность существующей модели, стимулируя активные исследования и поиск альтернативных объяснений.

Недавние наблюдения, выполненные космическим телескопом Джеймса Уэбба, выявили неожиданное количество массивных галактик и активных галактических ядер на больших космологических расстояниях, что соответствует ранним этапам развития Вселенной. Этот избыток структур противоречит существующим моделям формирования галактик, основанным на теории ΛCDM. Согласно этим моделям, гравитационное коллапсирование материи и формирование столь массивных объектов требовали бы значительно больше времени, чем доступно в наблюдаемой Вселенной на этих расстояниях. Обнаружение этих структур ставит под сомнение наше понимание процессов, формирующих галактики в ранней Вселенной, и требует пересмотра или дополнения стандартной космологической модели с целью объяснения наблюдаемого распределения и свойств этих объектов. Это может указывать на необходимость учета новых физических процессов, таких как модифицированная гравитация или альтернативные сценарии формирования темной материи.

Наблюдения, полученные в ходе недавних исследований, в особенности с использованием космического телескопа Джеймса Уэбба, указывают на то, что существующие теории формирования ранней Вселенной могут быть неполными. Обнаружение избыточного количества массивных галактик и активных галактических ядер на ранних космологических расстояниях, соответствующим самым ранним эпохам существования Вселенной, ставит под сомнение принятые модели. Это не означает, что существующая парадигма полностью ошибочна, но подчеркивает необходимость пересмотра и уточнения представлений о процессах, происходивших в первые моменты после Большого взрыва. Ученые активно исследуют альтернативные объяснения, включающие модификации гравитации, новые физические процессы, происходившие в ранней Вселенной, и возможность существования ранее неизвестных популяций звезд и галактик. Изучение этих аномалий может привести к революционным открытиям, способным радикально изменить наше понимание космоса и его эволюции.

Исследование функции светимости галактик в ультрафиолетовом диапазоне при высоких красных смещениях показало, что изменение космологических параметров <span class="katex-eq" data-katex-display="false">w_0</span> и <span class="katex-eq" data-katex-display="false">w_a</span> влияет на количество галактик различной светимости, что подтверждается сравнением с данными наблюдений Finkelstein et al. (2023), Donnan et al. (2023), McLeod et al. (2023), Harikane et al. (2023a), Adams et al. (2024), Bouwens et al. (2022) и Robertson et al. (2024) и отличается от результатов стандартной ΛCDM модели. — Исследование функции светимости галактик в ультрафиолетовом диапазоне при высоких красных смещениях показало, что изменение космологических параметров $w_0$ и $w_a$ влияет на количество галактик различной светимости, что подтверждается сравнением с данными наблюдений Finkelstein et al. (2023), Donnan et al. (2023), McLeod et al. (2023), Harikane et al. (2023a), Adams et al. (2024), Bouwens et al. (2022) и Robertson et al. (2024) и отличается от результатов стандартной ΛCDM модели.

Отрицательная космологическая постоянная: новый взгляд на тёмную энергию

Отрицательная космологическая постоянная предлагает альтернативное решение проблемы формирования крупномасштабной структуры Вселенной. В отличие от стандартной $ΛCDM$ модели, предполагающей замедление формирования структур из-за расширения Вселенной, отрицательная космологическая постоянная приводит к ускоренному формированию этих структур. Это достигается за счет увеличения скорости гравитационного коллапса, что позволяет галактикам и другим крупномасштабным объектам формироваться на более ранних стадиях эволюции Вселенной. Такой подход позволяет объяснить наблюдаемую высокую плотность массивных галактик в ранней Вселенной, что является проблемой для стандартной модели, и обеспечивает более раннее формирование галактик, чем предсказывается $ΛCDM$ .

Наблюдения космического телескопа имени Джеймса Уэбба (JWST) выявили избыток массивных галактик на ранних этапах существования Вселенной, что создает напряженность с предсказаниями стандартной ΛCDM модели. Модель с отрицательной космологической постоянной предлагает естественное объяснение этого явления. Увеличение скорости формирования структур, вызванное отрицательной космологической постоянной, приводит к более раннему формированию гало, в которых конденсируется галактическая материя. Это, в свою очередь, способствует формированию более массивных галактик на более ранних космологических временах, согласуясь с данными, полученными JWST, и разрешая наблюдаемое несоответствие в количестве и массе галактик на высоких красных смещениях.

Отрицательная космологическая постоянная предсказывает увеличение функции масс гало (Halo Mass Function — HMF), что согласуется с наблюдениями крупномасштабной структуры Вселенной. Традиционная $ΛCDM$ модель предполагает более низкое количество массивных гало на ранних этапах эволюции Вселенной. В модели с отрицательной космологической постоянной, ускоренное формирование структур приводит к более раннему коллапсу гало и, следовательно, к увеличению их количества, особенно в области высоких масс. Это согласуется с данными наблюдений, указывающими на преобладание массивных структур на более высоких красных смещениях (z), что невозможно объяснить в рамках стандартной $ΛCDM$ модели без введения дополнительных параметров или модификаций.

Модель с отрицательной космологической постоянной успешно объясняет формирование чёрных дыр с массой около $10^7 M_{\odot}$ при красном смещении z~10. В рамках стандартной ΛCDM модели предсказывается формирование чёрных дыр с существенно меньшей массой — менее $10^5 M_{\odot}$ — на данном этапе эволюции Вселенной. Наблюдаемые чёрные дыры с высокой массой при z~10 представляют собой значительное отклонение от предсказаний ΛCDM, которое модель с отрицательной космологической постоянной устраняет, обеспечивая условия для более быстрого роста чёрных дыр в ранней Вселенной.

Концепция отрицательной космологической постоянной логически переходит к модели динамической тёмной энергии, позволяя уравнение состояния $w(t)$ изменяться во времени. В отличие от стандартной ΛCDM модели, где $w = -1$ является постоянной величиной, динамическая тёмная энергия допускает временную зависимость, описываемую функцией $w(t)$ . Это позволяет более гибко моделировать эволюцию Вселенной и потенциально объяснить наблюдаемые аномалии, такие как ускоренное формирование структур на ранних этапах и избыток массивных галактик, выявленный телескопом Джеймса Уэбба, без необходимости введения дополнительных параметров или модификаций стандартной космологической модели.

Моделирование показывает, что изменение космологической постоянной <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\Omega_{\Lambda}</span> влияет на функцию массы галактик, при этом результаты для <span class="katex-eq" data-katex-display="false">w_0 = -0.98</span> и <span class="katex-eq" data-katex-display="false">w_a = 0.08</span> согласуются с данными JWST (Weibe et al., 2024) и оценками Akin et al. (2024), учитывающими вклад эмиссии от звезд. — Моделирование показывает, что изменение космологической постоянной $\Omega_{\Lambda}$ влияет на функцию массы галактик, при этом результаты для $w_0 = -0.98$ и $w_a = 0.08$ согласуются с данными JWST (Weibe et al., 2024) и оценками Akin et al. (2024), учитывающими вклад эмиссии от звезд.

Зарождение гигантов: происхождение сверхмассивных чёрных дыр

Быстрое формирование сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной требует высокоэффективных механизмов формирования зародышей. Наблюдаемые массы этих объектов на ранних этапах существования Вселенной указывают на необходимость процессов, способных быстро нарастить массу от сравнительно небольшого начального состояния. Теоретические модели показывают, что стандартные сценарии формирования черных дыр, основанные на коллапсе массивных звезд, не способны объяснить наблюдаемую плотность сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной без дополнительных механизмов, ускоряющих рост зародышей. Таким образом, понимание эффективных путей формирования и роста этих зародышей является ключевой задачей в современной астрофизике.

Звезды Популяции III, являющиеся первым поколением звезд во Вселенной, рассматриваются как наиболее вероятные предшественники для формирования начальных “зародышей” сверхмассивных черных дыр. Эти звезды, сформировавшиеся из первобытного водорода и гелия, обладали значительно большей массой, чем современные звезды, и имели короткий жизненный цикл. По окончании жизненного цикла, массивные звезды Популяции III коллапсировали непосредственно в черные дыры, минуя стадию сверхновой. Масса этих первичных черных дыр, образованных из звезд Популяции III, могла достигать $10^2 - 10^3$ солнечных масс, предоставляя достаточную начальную массу для последующего аккреционного роста и формирования наблюдаемых сверхмассивных черных дыр в центрах галактик.

Для быстрого роста начальных “зародышей” сверхмассивных черных дыр, образованных, например, из звёзд Популяции III, необходимы эффективные механизмы аккреции вещества. Аккреция по пределу Эддингтона ( $\dot{M}_{Edd} = \frac{4\pi GM_•}{\sigma_T c}$ , где $G$ — гравитационная постоянная, $M_•$ — масса черной дыры, $\sigma_T$ — сечение Томсона, $c$ — скорость света) предполагает максимальную скорость аккреции, при которой давление излучения уравновешивает гравитационное притяжение. Однако, для объяснения наблюдаемой скорости роста сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной, требуется учитывать и сверхэддингтоновскую аккрецию, когда скорость аккреции превышает предел Эддингтона. Сверхэддингтоновная аккреция возможна при наличии асимметричного аккреционного диска или за счет нестабильностей в диске, позволяющих эффективно переносить вещество к горизонту событий черной дыры, несмотря на высокое давление излучения.

Данная модель объясняет наблюдаемую плотность активных галактических ядер (AGN), которая на 1-2 порядка величины превышает прогнозируемые значения, полученные на основе экстраполяции функций светимости квазаров в ультрафиолетовом диапазоне, полученных до наблюдений с телескопа James Webb, а также данных глубоких рентгеновских наблюдений. Превышение плотности AGN указывает на более эффективные механизмы формирования и роста черных дыр во ранней Вселенной, чем предполагалось ранее на основе данных, собранных до появления телескопа JWST. Это предполагает, что во Вселенной существовало большее количество черных дыр промежуточной массы, которые могли быстро аккрецировать вещество и стать сверхмассивными черными дырами, питающими AGN.

Активные галактические ядра (AGN) являются результатом аккреции вещества на сверхмассивные черные дыры и наблюдаются даже на высоких красных смещениях, что указывает на их существование в ранней Вселенной. Эти объекты проявляются в различных формах, включая так называемые “Little Red Dots” (LRD) — компактные источники, характеризующиеся высоким отношением красного излучения к ультрафиолетовому, что позволяет идентифицировать их как AGN на космологических расстояниях. Интенсивное излучение AGN охватывает широкий спектр электромагнитных волн, от радиоволн до гамма-лучей, что позволяет изучать аккреционные процессы и свойства черных дыр, питающих эти ядра. Наблюдения AGN на высоких красных смещениях предоставляют ценные данные о формировании и эволюции сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной.

Моделирование функции светимости активных галактических ядер при непрерывном аккреционном режиме на пределе Эддингтона показывает зависимость от космологической постоянной <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\Omega_{\Lambda}</span>, подтверждаемую данными JWST (Akin et al., 2024) и согласующуюся с более ранними измерениями (Harikane et al., 2023a; Shen et al., 2020; Glikman et al., 2011; Grazian et al., 2023; Barlow-Hall & Aird, 2025; Barlow-Hall et al., 2023). — Моделирование функции светимости активных галактических ядер при непрерывном аккреционном режиме на пределе Эддингтона показывает зависимость от космологической постоянной $\Omega_{\Lambda}$ , подтверждаемую данными JWST (Akin et al., 2024) и согласующуюся с более ранними измерениями (Harikane et al., 2023a; Shen et al., 2020; Glikman et al., 2011; Grazian et al., 2023; Barlow-Hall & Aird, 2025; Barlow-Hall et al., 2023).

Прощупывая тёмную Вселенную: будущие наблюдательные пути

Будущие космологические обследования, такие как DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), направлены на точное определение истории расширения Вселенной с использованием барионных акустических осцилляций (BAO). Эти осцилляции представляют собой характерные закономерности в распределении материи, возникшие в ранней Вселенной из-за звуковых волн в плазме. Измеряя размер этих осцилляций на различных красных смещениях, ученые могут определить расстояние до галактик и, следовательно, скорость расширения Вселенной в разные эпохи. DESI, благодаря способности собирать спектры миллионов галактик, позволит с беспрецедентной точностью построить карту BAO, что даст возможность проверить модели темной энергии и лучше понять природу ускоренного расширения Вселенной. Это откроет новые возможности для изучения фундаментальных свойств космоса и уточнения наших представлений о его эволюции.

Космическое микроволновое фоновое излучение (CMB) представляет собой важнейший источник информации о ранней Вселенной и свойствах темной энергии. Полученное вскоре после Большого взрыва, это реликтовое излучение содержит отпечаток первичных флуктуаций плотности, которые послужили зародышами для формирования крупномасштабной структуры космоса. Тщательный анализ CMB, включая измерения его температуры и поляризации, позволяет установить точные ограничения на космологические параметры, такие как плотность темной энергии, скорость расширения Вселенной и возраст космоса. Более того, изучение небольших отклонений от однородности CMB предоставляет ценные сведения о природе инфляции — гипотетического периода экспоненциального расширения в первые моменты существования Вселенной. Различные космические миссии, такие как Planck, значительно повысили точность этих измерений, подтверждая стандартную космологическую модель и предоставляя новые данные для проверки альтернативных теорий темной энергии.

Сверхновые типа Ia продолжают играть ключевую роль в определении расстояний до далеких галактик и, следовательно, в изучении расширения Вселенной. Эти космические события, возникающие при взрыве белых карликов, характеризуются удивительной стабильностью светимости, что позволяет астрономам использовать их в качестве так называемых “стандартных свечей”. Зная истинную светимость сверхновой, ученые могут, измеряя ее кажущуюся яркость, точно определить расстояние до галактики, в которой она произошла. Сбор данных о сверхновых типа Ia на различных расстояниях позволяет построить карту расширения Вселенной и подтвердить открытие ускоренного расширения, вызванного, как предполагается, темной энергией. Современные и будущие обзоры неба, направленные на обнаружение и анализ большего числа этих объектов, обещают еще более точное определение параметров темной энергии и углубленное понимание эволюции космоса.

Сочетание различных космологических наблюдений, таких как барионные акустические колебания, изучение космического микроволнового фона и наблюдения за сверхновыми типа Ia, открывает уникальную возможность проверить состоятельность моделей, предполагающих отрицательную темную энергию. Традиционные модели описывают темную энергию как силу, ускоряющую расширение Вселенной, но альтернативные теории допускают её отрицательную природу, что привело бы к замедлению расширения в будущем. Сравнивая данные, полученные разными методами, и оценивая их статистическую значимость, ученые стремятся установить, соответствует ли наблюдаемая картина стандартной космологической модели или же требует пересмотра фундаментальных представлений о природе темной энергии и эволюции Вселенной. Такой комплексный подход позволит не только уточнить параметры космологической модели, но и, возможно, обнаружить новые физические явления, лежащие в основе ускоренного расширения Вселенной.

Анализ данных CMB, DESI и DES позволил построить двумерную карту доверия в плоскости <span class="katex-eq" data-katex-display="false">w_0 - w_a</span>, демонстрирующую допустимый диапазон параметров уравнения состояния тёмной энергии, где область выше пунктирной линии соответствует не-фантомной тёмной энергии, а ниже - ранней фантомной и поздней не-фантомной, при этом цветовая шкала отражает значение <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\Omega_{\Lambda}</span>, обеспечивающее согласованность с космологическими данными. — Анализ данных CMB, DESI и DES позволил построить двумерную карту доверия в плоскости $w_0 - w_a$ , демонстрирующую допустимый диапазон параметров уравнения состояния тёмной энергии, где область выше пунктирной линии соответствует не-фантомной тёмной энергии, а ниже — ранней фантомной и поздней не-фантомной, при этом цветовая шкала отражает значение $\Omega_{\Lambda}$ , обеспечивающее согласованность с космологическими данными.

Исследование эволюции сверхмассивных черных дыр в динамических моделях темной энергии с отрицательной космологической постоянной представляет собой сложную задачу, требующую численных методов и анализа устойчивости решений уравнений Эйнштейна. Как отмечал Эрнест Резерфорд: «Если бы я не мог видеть ничего, кроме того, что я мог измерить, я не стал бы ученым». Данная работа, подобно экспериментам Резерфорда, опирается на косвенные наблюдения — в частности, анализ функции светимости активных галактических ядер на высоких красных смещениях — для проверки теоретических моделей. Использование данных, полученных с телескопа JWST, позволяет проверить предсказания моделей динамической темной энергии и, возможно, разрешить напряженность между стандартной космологической моделью и наблюдаемой плотностью сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной.

Что дальше?

Представленная работа, исследующая влияние динамической тёмной энергии на ранний рост сверхмассивных чёрных дыр, лишь подчеркивает фундаментальную неопределённость, присущую современной космологии. Когнитивное смирение исследователя пропорционально сложности нелинейных уравнений Эйнштейна, и данное исследование является ярким тому подтверждением. Наблюдения JWST, выявляющие неожиданное обилие активных галактических ядер на больших красных смещениях, требуют пересмотра стандартных моделей, однако предложенные модели динамической тёмной энергии, хотя и перспективны, не являются окончательным ответом. Чёрные дыры демонстрируют границы применимости физических законов и нашей интуиции.

Будущие исследования должны быть сосредоточены на более точных измерениях функции светимости активных галактических ядер на высоких красных смещениях, а также на разработке моделей, способных предсказывать эволюцию чёрных дыр в различных космологических сценариях. Необходимо учитывать влияние барионной физики и обратной связи от активных галактических ядер на формирование структуры Вселенной. Попытки объединить квантовую гравитацию и космологию, хотя и сталкиваются с огромными трудностями, представляются критически важными.

В конечном счёте, поиск истины о чёрных дырах и тёмной энергии — это не только научная задача, но и философский вызов. Каждая новая теория, как и каждое новое наблюдение, лишь приближает нас к пониманию границ нашего познания, напоминая о том, что горизонт событий может поглотить даже самые уверенные гипотезы.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2602.05921.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-02-06 13:14