[비즈한국] 宇宙正在膨脹。而且，這種膨脹的速度還在不斷加快。自1998年觀測到宇宙邊緣的超新星以來，宇宙加速膨脹的概念便開始被提出，如今已成為解釋宇宙演化的定論。然而，宇宙的時空為何會加速膨脹，至今仍無人知曉。
宇宙中充滿了無數的星系。星系之間因引力相互吸引。如果只有引力存在，宇宙理應變得越來越小。但事實是宇宙在加速膨脹，這說明一定存在一種未知的能量，正在對抗引力，推動宇宙時空膨脹。最終，科學家們給這種身份不明的未知能量起了一個冠冕堂皇的名字——“暗能量”，並致力於探索其本質。
然而，幾年前開始，關於暗能量起源的一個有趣假說被提出。該假說認為，作為宇宙另一大謎題的黑洞，或許就是暗能量的起源。暗能量竟然在黑洞內部產生！這一假說極其引人入勝，因為它將宇宙中最神秘的兩個存在連線在了一起。難道說，黑洞真的是讓宇宙加速膨脹的“元兇”嗎？
黑洞內部究竟發生了什麼？沒人知道。我們能夠觀測到的黑洞邊界僅限於事件視界。視界之外的黑暗無法觀測，因為時空扭曲過於嚴重，連光都無法逃脫。數學上，科學家僅推測黑洞中心存在一個所有質量聚集於一點的奇點。但一些物理學家認為，黑洞內部存在某種排斥力，阻止其徹底坍縮。換句話說，黑洞內部可能存在真空能。
真空能，顧名思義，是指空無一物的真空本身所蘊含的能量。從量子力學的角度來看，真空並非真的空無一物。在極短的時間尺度內，粒子和反粒子會不斷地產生和湮滅。表面上看，世界平靜空曠，但事實上，真空也在不停地經歷著粒子的湧現與消失。1立方米的真空約含有1納焦耳的真空能。這種真空能也可能在因強大引力而坍縮的黑洞內部發揮作用。黑洞內部形成的真空能可能正在對抗引力，從而阻止了黑洞的完全坍縮。
而正是從這裡，我們可以聯想到一種驚人的“魔法”。愛因斯坦著名的公式E=mc²揭示了質量即能量、能量即質量的等價原理。隨著宇宙膨脹，存在於宇宙時空中的黑洞也會隨之膨脹。於是，黑洞蘊含了更多的真空能。黑洞所含能量的增加，意味著黑洞質量的增長。一些天文學家推測，宇宙時空的膨脹本身正在促使黑洞變得更加沉重。
2023年，一項展示宇宙膨脹與黑洞增長之間可能存在聯絡的有趣研究發表了（相關報道 [科學] 宇宙最大謎題，黑洞與暗能量的“微妙關係”）。當時，該論文的作者法拉哈（Farrah）博士發現了一個驚人的事實：對比110億年前、60億年前以及當今宇宙中觀測到的超大質量黑洞的質量分佈，發現黑洞的質量隨著時間的推移在持續增長。
更令人驚訝的是，隨著宇宙規模的膨脹，黑洞的質量竟然與其規模的立方成正比增長！根據法拉哈團隊的研究結果，如果宇宙變大兩倍，黑洞的質量就會以其立方倍，即8倍的速度增長！這可能是一個線索，表明隨著宇宙體積的增加，黑洞本身的質量也在與該體積成正比地增長。
然而，倉促接受這一觀點仍需謹慎。我們至今仍未精確獲知星系中心超大質量黑洞的生長機制。這似乎並非僅僅是透過小型黑洞長時間合併而形成的。雖然也有可能是在大爆炸後的早期宇宙中，巨大的分子云同時收縮，一次性形成了如此巨大的黑洞，但這同樣無法證實。最近透過詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST），我們在宇宙極遠端發現了相對年輕的超大質量黑洞，目前也僅是在尋找這些零星的線索。
為了探明暗能量的真面目，天文學家們正在進行DESI（暗能量光譜巡天）觀測，繪製橫跨全宇宙星系的精細三維地圖。他們利用位於美國亞利桑那州基特峰國家天文臺的望遠鏡，繪製全天空的星系圖。透過這些資料，對比從過去到現在宇宙結構和星系密度的變化，進而追蹤宇宙膨脹率隨時間演變的規律。最近，DESI的首批觀測結果公佈，儘管只是部分資料，但有趣的是，這些結果顯示暗能量或許並非恆定不變，而是隨宇宙年齡發生了變化。
最近，天文學家為了更精確地核查暗能量變動的可能性，進行了進一步分析。從過去到現在，宇宙中恆星的誕生率一直在發生變化。在極早期，恆星爆發式誕生，但隨著宇宙擴張及造星材料的枯竭，造星效率趨於平緩。恆星根據質量以不同的速度演化。特別是大質量恆星，會更快地坍縮為黑洞。我們可以模擬宇宙在不同時期分別有多少黑洞誕生和坍縮。如果暗能量真的與黑洞有關，那麼黑洞生成率的變化應該與宇宙加速膨脹的程度及暗能量的變化趨勢一致。
在上面的圖表中，x軸代表宇宙時間。（天文學家通常不使用簡單的年份，而是使用紅移值來表示過去經歷了多久。）圖表左側是現在，越往右則代表越接近大爆炸後的早期宇宙。因此，要按時間流逝的順序觀察，需從圖表右端向左端看。圖表中透過顏色表現了本次DESI首次觀測結果所揭示的暗能量變化。由於目前僅使用了第一批資料，誤差範圍相當大。
圖中可見黑色實線和虛線。虛線是根據已知宇宙造星曆史再現的結果。實線則反映了近期透過詹姆斯·韋布望遠鏡觀測所得的推測，即大爆炸後早期宇宙中恆星也可能曾爆發式誕生。因此，黑色實線在右側（大爆炸剛發生後）也急劇上升。雖然顏色標註的DESI觀測結果誤差範圍較大，但可以看到，無論是基於現有模型（虛線）還是引入韋布望遠鏡資料的模型（實線），黑洞的生成率與宇宙的膨脹率都表現出良好的一致性。
然而，在圖表最左端，即最近20億年間，模型與觀測出現了明顯偏離。在20億年前的過去，觀測結果與模型能很好地解釋宇宙膨脹，但到了最近20億年，兩者出現了顯著差異。本次論文對此解釋稱，這是因為近20億年間大質量恆星坍縮為黑洞的比率有所下降。由於黑洞產生量減少，暗能量也隨之減少，導致最近一段時間宇宙膨脹的加速程度有所減弱。
他們的主張非常有意思。事實上，過去天文學家為了解釋宇宙演化，一直將暗能量設定為隨時間恆定不變的常數進行分析。大多數宇宙學模擬也是如此。但從這次的結果來看，假設暗能量與黑洞有關、且其含量隨時間演變的模型，比暗能量恆定不變的現有ΛCDM模型（暗能量-冷暗物質模型）更能完美解釋DESI的觀測結果。此外，在目前階段模型與觀測結果出現偏離，也讓人聯想到了令天文學家頭疼的“哈勃張力”（Hubble Tension）這一著名謎題。
哈勃張力是指透過星系運動測得的近現代宇宙膨脹率，與透過宇宙微波背景輻射觀測到的遠古全宇宙膨脹率之間存在測量數值偏差的問題。或許這種差異正是因為宇宙整體的膨脹加速程度本身隨時間在發生改變。如果暗能量確實與黑洞相連，那麼宇宙膨脹速度的快慢，可能就取決於宇宙中黑洞生成的數量。
目前一切尚無定論。在探討黑洞是否與暗能量有關之前，首先必須完美解答兩個問題。第一，宇宙真的在加速膨脹嗎？關於宇宙膨脹速度正在加快的加速膨脹本身，其質疑尚未完全消除。第二，如果宇宙確實因暗能量而加速膨脹，那麼暗能量真的維持恆定嗎？還是像近期討論的那樣，暗能量的量也在隨時間變化？只有這兩個問題都有了明確的結論，我們才能更清晰地描繪出暗能量與黑洞之間的聯絡。
難道這不令人興奮嗎！人們初看黑洞，往往認為它是隻進不出的“收縮”極致，絕不會覺得它是一個能讓事物膨脹的存在。但那樣的黑洞竟可能是讓整個宇宙加速膨脹的暗能量源頭！還有比這更戲劇性的反轉魅力嗎？
參考
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
關於作者池雄培（Ji Woong-bae）：熱愛貓咪與宇宙。兒時看過《銀河鐵道999》後，立志要將宇宙的美麗傳播給世人。目前在延世大學銀河演化研究中心及近宇宙論實驗室研究星系相互作用導致的演化，並進行講座、寫作等多種科學傳播活動。著有《썸 타는 천문대》（曖昧天文臺）、《하루 종일 우주 생각》（整天想宇宙）、《별, 빛의 과학》（星，光的科學）等書。