Bijna 14 miljard jaar geleden, aan het begin van de oerknal, dreef een mysterieuze energie een exponentiële uitdijing van het jonge universum aan en produceerde alle bekende materie, volgens de heersende inflationaire universumtheorie. Die oude energie had belangrijke kenmerken gemeen met de donkere energie van het huidige universum, dat volgens ten minste één objectieve standaard het grootste mysterie van onze tijd is: Het maakt het grootste deel, ruwweg 70%, uit van het universum, maar wetenschappers weten niet precies wat het is.
“Als je jezelf de vraag stelt 'waar in het latere heelal zien we dat de zwaartekracht net zo sterk is als aan het begin van het heelal', dan is het antwoord in het centrum van zwarte gaten”, zegt Gregory Tarlé, emeritus hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Michigan en co-auteur van het onderzoek. “Het is mogelijk dat wat er tijdens de inflatie gebeurde in omgekeerde richting verloopt, de materie van een massieve ster wordt weer donkere energie tijdens de zwaartekrachtinstorting, als een kleine omgekeerde oerknal.”
In een nieuwe studie, gepubliceerd in het Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, versterken Tarlé en collega's van vijf instituten de argumenten voor dit scenario met recente gegevens van het Dark Energy Spectroscopic Instrument. DESI bestaat uit 5.000 robotogen op de Mayall-telescoop van het Kitt Peak National Observatory op het land van de Tohono O'odham Nation. “Als zwarte gaten donkere energie bevatten, kunnen ze zich koppelen aan en meegroeien met het uitdijende heelal, waardoor de groei van het heelal versnelt”, zegt Kevin Croker, hoofdauteur van de nieuwe studie van het team en assistent-onderzoekswetenschapper aan de Arizona State University.
“We weten niet precies hoe dit gebeurt, maar we zien wel bewijs dat het gebeurt.” Gegevens uit het eerste jaar van DESI's geplande vijfjarige onderzoek laten prikkelend bewijs zien dat de dichtheid van donkere energie in de loop van de tijd is toegenomen. Dit is een overtuigende aanwijzing die het idee van wat donkere energie is ondersteunt, aldus de onderzoekers, omdat die toename in de tijd overeenkomt met hoe de hoeveelheid en massa van zwarte gaten in de tijd toenam.
“Toen ik voor het eerst bij het project betrokken raakte, was ik erg sceptisch”, zegt co-auteur Steve Ahlen, emeritus hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Boston. “Maar ik heb gedurende het hele proces een open geest gehouden en toen we begonnen met de kosmologieberekeningen, zei ik: 'Nou, dit is echt een mooi mechanisme om donkere energie te maken.'”
Het verschil dat een DESI maakt
Om te zoeken naar bewijs voor donkere energie uit zwarte gaten, gebruikte het team tientallen miljoenen verre sterrenstelsels, gemeten door DESI. Het instrument tuurt miljarden jaren in het verleden en verzamelt gegevens die kunnen worden gebruikt om met uiterste precisie te bepalen hoe snel het heelal uitdijt. Op hun beurt kunnen deze gegevens worden gebruikt om af te leiden hoe de hoeveelheid donkere energie in de tijd verandert. Het team vergeleek deze gegevens met hoeveel zwarte gaten er werden gemaakt bij de dood van grote sterren in de geschiedenis van het heelal. “De twee fenomenen kwamen met elkaar overeen - toen er nieuwe zwarte gaten werden gemaakt bij de dood van zware sterren, nam de hoeveelheid donkere energie in het heelal op de juiste manier toe,” zei Duncan Farrah, universitair hoofddocent natuurkunde aan de Universiteit van Hawaï en co-auteur van het onderzoek. “Dit maakt het aannemelijker dat zwarte gaten de bron van donkere energie zijn.”
Dit onderzoek is een aanvulling op een groeiende hoeveelheid literatuur die de mogelijkheid van kosmologische koppeling in zwarte gaten bestudeert. Een onderzoek uit 2023, waarbij veel van de auteurs van dit artikel betrokken waren, rapporteerde kosmologische koppeling in superzware zwarte gaten in galactische centra. Dat rapport uit 2023 moedigde andere teams aan om te zoeken naar het effect in zwarte gaten op alle verschillende plaatsen in het universum. “Die artikelen onderzoeken het verband tussen donkere energie en zwarte gaten door hun groeisnelheid. Ons nieuwe artikel legt een verband tussen zwarte gaten en donkere energie door het moment waarop ze ontstaan,” zei Brian Cartwright, een astrofysicus, co-auteur en voormalig algemeen adviseur van de Amerikaanse Securities and Exchange Commission. Een belangrijk verschil in het nieuwe artikel is dat de meerderheid van de zwarte gaten in kwestie jonger is dan de gaten die eerder zijn onderzocht. Deze zwarte gaten zijn geboren in een periode waarin de stervorming, die de vorming van zwarte gaten volgt, al vergevorderd was, in plaats van net begonnen.
“Dit gebeurt veel later in het heelal en is gebaseerd op recente metingen van de productie en groei van zwarte gaten zoals waargenomen met de Hubble- en Webb-ruimtetelescopen”, zegt co-auteur Rogier Windhorst, een interdisciplinair wetenschapper voor de JWST en hoogleraar aarde- en ruimteonderzoek aan de Arizona State University. “De volgende vraag is waar deze zwarte gaten zich bevinden en hoe ze zich de afgelopen 8 miljard jaar hebben verplaatst. Wetenschappers werken er op dit moment aan om dit vast te stellen”, aldus Croker. Wetenschap vraagt om meer onderzoekswegen en observaties, en nu DESI online is, is het onderzoek naar donkere energie nog maar net begonnen. “Dit zal alleen maar meer diepte en duidelijkheid brengen in ons begrip van donkere energie, of dat nu de zwarte-gathypothese blijft ondersteunen of niet,” zei Ahlen. “Ik denk dat het een geweldige experimentele onderneming is. Je kunt vooroordelen hebben of niet, maar we worden gedreven door gegevens en waarnemingen.” Ongeacht wat die toekomstige waarnemingen opleveren, vertegenwoordigt het werk dat nu gebeurt een ommekeer in het onderzoek naar donkere energie, aldus het team. “Fundamenteel gezien is de vraag of zwarte gaten donkere energie zijn, gekoppeld aan het universum waarin ze leven, niet langer alleen een theoretische vraag,” zei Tarlé. “Dit is nu een experimentele vraag.”
Bron: University of Michigan
