在黑洞边缘诡异的物理学可能帮助解决萦绕的“哈勃麻烦”

By Robert Lea

 published 10 hours ago

Black Holes

宇宙的不同部分可能有不同的膨胀率，潜在的解释这个困扰人的“哈勃紧张”

一个在它的事件地平线有宇宙的膨胀的黑洞的描画。 (Image credit: Robert Lea)

新的研究提示，被一种叫暗能量的神秘力量驱动的宇宙膨胀正在跨宇宙加速，但可能不是在黑洞的边缘。

不是隐含暗能量不作用在黑洞的边界上而是该想法提示这种神秘的宇宙统治力量是在事件地平线上玩的唯一能量。

这一概念可能帮助解决宇宙学中一个长期存在的叫“哈勃紧张” 的问题，该问题源自宇宙的膨胀率的截然不同的估计，被称为哈勃常数或哈勃参数。

也许对非理论物理学家甚至更重要的是这项研究意味着黑洞、它们的外部边界或“事件地平线”以及暗能量驱动的太空膨胀都可能比我们恐惧的更奇怪、更难来理解。

这个弯曲思维的新想法已经被康涅狄格州纽黑文大学的理论物理学家波普拉夫斯基（Nikodem Poplawski）提出。他说即便围绕黑洞的空间正在膨胀，尽管与宇宙剩下的部分不同，但黑洞本身并没有因此生长。

波普拉夫斯基告诉太空网站，“在每个黑洞事件地平线处的宇宙的膨胀率都是恒定的，还有事件地平线的大小以及如此黑洞本身并没有随宇宙膨胀增加。人们可能会问事件地平线怎么可能不生长而那里的空间生长呢？这是因为空间的膨胀造成非常靠近事件地平线的点来移动远离事件地平线” 。

波普拉夫斯基补充说，一些人已经提出由于宇宙的膨胀，黑洞可能正在不用任何物质吸积生长和增加它们的质量。他争论他的结果表明这种黑洞生长的解释，尤其就像它应用到在早期宇宙中难以置信快生长的超大质量黑洞是不实在的一样。

几乎是黑洞？

研究人员最初将黑洞感知为对爱因斯坦的1915年叫广义相对论的引力理论的解决方案，最著名的由德国物理学家和天文学家卡尔·史瓦西提出的。

广义相对论声明有质量的物体造成统一为一个叫空时的单一实体的空间和时间的非常的织造来 “翘曲”。质量越大，它在空时中产生的翘曲就越大。因为引力源自这个翘曲，这解释为什么一个天体有更多的质量，它施加在它的周围环境上的引力影响就越猛烈。

黑洞诞生于一个无限大量的质量集中在一个无限小的小空间中的想法，被称为一个奇点。按照广义相对论方程，这个奇点在那里所有物理学崩溃，将被一个在其上甚至光不能足够快移动来逃逸的非物理表面绑定。这是事件地平线，而它的存在意味着没有任何东西能逃脱一个黑洞。因此，我们永远不能希望来“看到”什么躺在一个黑洞内部。

因为围绕一个黑洞时间的极端翘曲，我们也永远不能希望来看到事件地平线本身。

波普拉夫斯基说：“事件地平线在地球上已经过去一个无限长时间后形成。我们观测的不是黑洞而是‘几乎是黑洞’” 。

这样，当一颗恒星在它的生命结束坍塌来诞生一个黑洞时，我们看到的不是黑洞而是那个转变的最后一瞬。宛如这个概念还不够奇怪，波普拉夫斯基认为事件地平线甚至更诡异：暗能量存在在那里，但围绕事件地平线的空间似乎只是忽略它。

位于银河系中心的超大质量黑洞射手座A*的图像实际上是一个“几乎是黑洞”的图像。(Image credit: EHT Collaboration)

波普拉夫斯基说，“宇宙的膨胀率哈勃参数是恒定的，在事件地平线能要么是正的要么是零。一定是这样，因为如果宇宙在一个事件地平线的膨胀率不是恒定的，压力和空时曲率将是无限的。这将是不可测量的，这样，这将是非物理的” 。

正如波普拉夫斯基的理论弯曲思维一样，它实际上可以解决一个已经困扰科学家几十年的问题。

哈勃不再麻烦？

20世纪90年代末，两个分开的天文学家团队用到Ia型超新星的距离测量来确定宇宙不仅正在膨胀，正如被埃德温哈勃在20世纪初收集的证据表明的那样，而且那个膨胀也在加速。

 “暗能量”一词是当时捏造来描述凡是正在驱动这种加速度的宇宙的方面的。从那时起，科学家们已经确定在我们生活在的宇宙的当前时代，暗能量统治着暗物质和日常物质，约占宇宙中能量和物质的68%。

目前，对暗能量最简单的解释是“宇宙学常数”，一个真空的能量密度的测量。然而，正如你现在可能已经意识到的，在宇宙学中没有任何东西是真的简单的。

一种造父变星，被天文学家用作为一个“标准蜡烛”来测量宇宙正在膨胀的速度。 (Image credit: NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-Hubble/Europe Collaboration)

当从量子场论计算宇宙学常数的值时，结果大于当我们观察遥远的Ia型超新星和亮度中替代的叫造父变星恒星时获得的结果，这两种恒星都被称为“标准蜡烛”，因为它们的在测量宇宙距离中的用途。

通过一些估计，这两个值之间的差值高达121个数量级，即10后面跟着120个零。难怪一些物理学家叫宇宙学常数为“物理学史上最糟糕的预测”

这个问题被指为哈勃紧张，随量子场论和宇宙学已经改进和天文学已经变得更加稳健已经只变得更糟；令人惊讶的是，这两种值已经继续分歧。

哈勃参数的两种估计都是正确的唯一方法是，如果宇宙的膨胀率跨整个宇宙不是均匀的进行，有些区域比其他区域的膨胀远更多。

一种想法是我们的星系银河系位于宇宙中一个密度过疏的“气泡”中——如果你喜欢它是一个“哈勃气泡”——这影响局部距离测量造成它们提交一个低的哈勃参数值。另一方面，量子场论不受局部宇宙限制而是考虑整个宇宙，这样提交一个跨整个空间被平均的高值。

现在，波普拉夫斯基的假设提供另一种其中宇宙的某些区域可能以不同的速度加速的方式。

他解释道，“膨胀率在所有事件地平线都是相同的，但在宇宙的其他部分它取决于在那里的物质和空间曲率，因此它是不同的。因此，宇宙的不同部分有不同的膨胀率。这解释观测到的哈勃紧张” 。

RELATED STORIES:

— Dark matter detected dangling from the cosmic web for 1st time

— Exotic 'Einstein ring' suggests that mysterious dark matter interacts with itself

— Tiny black holes left over from the Big Bang may be prime dark matter suspects

波普拉夫斯基的宇宙的膨胀在事件地平线以恒定速率运动的理论能否被用天文学观测上验证呢？

遗憾的是他认为这是怀疑的。像Ia型超新星和造父变星这样的标准烛光不存在于事件地平线的边缘。这意味着在这个案例中确定哈勃参数的天文方法几乎是毫无用处。

此外，还有整个翘曲时间的以及光不能逃离一个黑洞的事实要考虑。在这里测量哈勃参数的唯一方法可能是采取一个单程进入黑洞。

波普拉夫斯基说，“严格的讲，我们不能在事件地平线测量哈勃参数，因为当我们看到黑洞事件地平线时事件地平线还没有被形成。然而，一个落入一个黑洞的观测者将在一个有限的时间内穿过事件地平线，理论上可以在穿过事件地平线时测量哈勃参数”。

 “然而，他们将不能够将这些信息发送回地球，因为没有任何东西能从事件地平线逃到外太空” 。

因此，波普拉夫斯基相信除非出来一种革命性的测量哈勃参数的方法，黑洞的严密守卫的秘密仍将笼罩在秘密中。

波普拉夫斯基的研究被特征在一篇经过同行评审过的预印本网站上的论文中 arXiv.