[비즈한국] 宇宙正在膨胀。而且，这种膨胀的速度还在不断加快。自1998年观测到宇宙边缘的超新星以来，宇宙加速膨胀的概念便开始被提出，如今已成为解释宇宙演化的定论。然而，宇宙的时空为何会加速膨胀，至今仍无人知晓。
宇宙中充满了无数的星系。星系之间因引力相互吸引。如果只有引力存在，宇宙理应变得越来越小。但事实是宇宙在加速膨胀，这说明一定存在一种未知的能量，正在对抗引力，推动宇宙时空膨胀。最终，科学家们给这种身份不明的未知能量起了一个冠冕堂皇的名字——“暗能量”，并致力于探索其本质。
然而，几年前开始，关于暗能量起源的一个有趣假说被提出。该假说认为，作为宇宙另一大谜题的黑洞，或许就是暗能量的起源。暗能量竟然在黑洞内部产生！这一假说极其引人入胜，因为它将宇宙中最神秘的两个存在连接在了一起。难道说，黑洞真的是让宇宙加速膨胀的“元凶”吗？
黑洞内部究竟发生了什么？没人知道。我们能够观测到的黑洞边界仅限于事件视界。视界之外的黑暗无法观测，因为时空扭曲过于严重，连光都无法逃脱。数学上，科学家仅推测黑洞中心存在一个所有质量聚集于一点的奇点。但一些物理学家认为，黑洞内部存在某种排斥力，阻止其彻底坍缩。换句话说，黑洞内部可能存在真空能。
真空能，顾名思义，是指空无一物的真空本身所蕴含的能量。从量子力学的角度来看，真空并非真的空无一物。在极短的时间尺度内，粒子和反粒子会不断地产生和湮灭。表面上看，世界平静空旷，但事实上，真空也在不停地经历着粒子的涌现与消失。1立方米的真空约含有1纳焦耳的真空能。这种真空能也可能在因强大引力而坍缩的黑洞内部发挥作用。黑洞内部形成的真空能可能正在对抗引力，从而阻止了黑洞的完全坍缩。
而正是从这里，我们可以联想到一种惊人的“魔法”。爱因斯坦著名的公式E=mc²揭示了质量即能量、能量即质量的等价原理。随着宇宙膨胀，存在于宇宙时空中的黑洞也会随之膨胀。于是，黑洞蕴含了更多的真空能。黑洞所含能量的增加，意味着黑洞质量的增长。一些天文学家推测，宇宙时空的膨胀本身正在促使黑洞变得更加沉重。
2023年，一项展示宇宙膨胀与黑洞增长之间可能存在联系的有趣研究发表了（相关报道 [科学] 宇宙最大谜题，黑洞与暗能量的“微妙关系”）。当时，该论文的作者法拉哈（Farrah）博士发现了一个惊人的事实：对比110亿年前、60亿年前以及当今宇宙中观测到的超大质量黑洞的质量分布，发现黑洞的质量随着时间的推移在持续增长。
更令人惊讶的是，随着宇宙规模的膨胀，黑洞的质量竟然与其规模的立方成正比增长！根据法拉哈团队的研究结果，如果宇宙变大两倍，黑洞的质量就会以其立方倍，即8倍的速度增长！这可能是一个线索，表明随着宇宙体积的增加，黑洞本身的质量也在与该体积成正比地增长。
然而，仓促接受这一观点仍需谨慎。我们至今仍未精确获知星系中心超大质量黑洞的生长机制。这似乎并非仅仅是通过小型黑洞长时间合并而形成的。虽然也有可能是在大爆炸后的早期宇宙中，巨大的分子云同时收缩，一次性形成了如此巨大的黑洞，但这同样无法证实。最近通过詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST），我们在宇宙极远端发现了相对年轻的超大质量黑洞，目前也仅是在寻找这些零星的线索。
为了探明暗能量的真面目，天文学家们正在进行DESI（暗能量光谱巡天）观测，绘制横跨全宇宙星系的精细三维地图。他们利用位于美国亚利桑那州基特峰国家天文台的望远镜，绘制全天空的星系图。通过这些数据，对比从过去到现在宇宙结构和星系密度的变化，进而追踪宇宙膨胀率随时间演变的规律。最近，DESI的首批观测结果公布，尽管只是部分数据，但有趣的是，这些结果显示暗能量或许并非恒定不变，而是随宇宙年龄发生了变化。
最近，天文学家为了更精确地核查暗能量变动的可能性，进行了进一步分析。从过去到现在，宇宙中恒星的诞生率一直在发生变化。在极早期，恒星爆发式诞生，但随着宇宙扩张及造星材料的枯竭，造星效率趋于平缓。恒星根据质量以不同的速度演化。特别是大质量恒星，会更快地坍缩为黑洞。我们可以模拟宇宙在不同时期分别有多少黑洞诞生和坍缩。如果暗能量真的与黑洞有关，那么黑洞生成率的变化应该与宇宙加速膨胀的程度及暗能量的变化趋势一致。
在上面的图表中，x轴代表宇宙时间。（天文学家通常不使用简单的年份，而是使用红移值来表示过去经历了多久。）图表左侧是现在，越往右则代表越接近大爆炸后的早期宇宙。因此，要按时间流逝的顺序观察，需从图表右端向左端看。图表中通过颜色表现了本次DESI首次观测结果所揭示的暗能量变化。由于目前仅使用了第一批数据，误差范围相当大。
图中可见黑色实线和虚线。虚线是根据已知宇宙造星历史再现的结果。实线则反映了近期通过詹姆斯·韦布望远镜观测所得的推测，即大爆炸后早期宇宙中恒星也可能曾爆发式诞生。因此，黑色实线在右侧（大爆炸刚发生后）也急剧上升。虽然颜色标注的DESI观测结果误差范围较大，但可以看到，无论是基于现有模型（虚线）还是引入韦布望远镜数据的模型（实线），黑洞的生成率与宇宙的膨胀率都表现出良好的一致性。
然而，在图表最左端，即最近20亿年间，模型与观测出现了明显偏离。在20亿年前的过去，观测结果与模型能很好地解释宇宙膨胀，但到了最近20亿年，两者出现了显著差异。本次论文对此解释称，这是因为近20亿年间大质量恒星坍缩为黑洞的比率有所下降。由于黑洞产生量减少，暗能量也随之减少，导致最近一段时间宇宙膨胀的加速程度有所减弱。
他们的主张非常有意思。事实上，过去天文学家为了解释宇宙演化，一直将暗能量设定为随时间恒定不变的常数进行分析。大多数宇宙学模拟也是如此。但从这次的结果来看，假设暗能量与黑洞有关、且其含量随时间演变的模型，比暗能量恒定不变的现有ΛCDM模型（暗能量-冷暗物质模型）更能完美解释DESI的观测结果。此外，在目前阶段模型与观测结果出现偏离，也让人联想到了令天文学家头疼的“哈勃张力”（Hubble Tension）这一著名谜题。
哈勃张力是指通过星系运动测得的近现代宇宙膨胀率，与通过宇宙微波背景辐射观测到的远古全宇宙膨胀率之间存在测量数值偏差的问题。或许这种差异正是因为宇宙整体的膨胀加速程度本身随时间在发生改变。如果暗能量确实与黑洞相连，那么宇宙膨胀速度的快慢，可能就取决于宇宙中黑洞生成的数量。
目前一切尚无定论。在探讨黑洞是否与暗能量有关之前，首先必须完美解答两个问题。第一，宇宙真的在加速膨胀吗？关于宇宙膨胀速度正在加快的加速膨胀本身，其质疑尚未完全消除。第二，如果宇宙确实因暗能量而加速膨胀，那么暗能量真的维持恒定吗？还是像近期讨论的那样，暗能量的量也在随时间变化？只有这两个问题都有了明确的结论，我们才能更清晰地描绘出暗能量与黑洞之间的联系。
难道这不令人兴奋吗！人们初看黑洞，往往认为它是只进不出的“收缩”极致，绝不会觉得它是一个能让事物膨胀的存在。但那样的黑洞竟可能是让整个宇宙加速膨胀的暗能量源头！还有比这更戏剧性的反转魅力吗？
参考
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/acac2e
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acb704
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2024/10/094
关于作者池雄培（Ji Woong-bae）：热爱猫咪与宇宙。儿时看过《银河铁道999》后，立志要将宇宙的美丽传播给世人。目前在延世大学银河演化研究中心及近宇宙论实验室研究星系相互作用导致的演化，并进行讲座、写作等多种科学传播活动。著有《썸 타는 천문대》（暧昧天文台）、《하루 종일 우주 생각》（整天想宇宙）、《별, 빛의 과학》（星，光的科学）等书。