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暗能量（dark energy）與宇宙膨脹的相關性吸引著當今許多科學家研究，期望能解開宇宙間最大的科學謎團。近期一個跨國研究團隊量測了古老、休眠的星系，發現黑洞的增長速度超乎預期，且此現象與愛因斯坦 （Albert Einstein）在廣義相對論（general relativity）中提出的重力方程式的預測一致，意味著我們或許不用再於宇宙背景圖中加入新的理論以解釋暗能量——因為黑洞與重力方程式結合起來就是暗能量的起源。

此跨國團隊由美國夏威夷大學（University of Hawaii System）領導，成員包含倫敦帝國理工學院（Imperial College London）、英國科學與科技設施委員會（Science and Technology Facilities Council, STFC）旗下的拉塞福－阿普爾頓實驗室（Rutherford Appleton Laboratory, RAL）中的太空物理學家，上述發現已刊登於《天文物理期刊》（The Astrophysical Journal）與《天文物理期刊通訊》（The Astrophysical Journal Letters）中。

在量子力學理論中，學者認為時空本身包含了一種稱為 「真空能量」（vacuum energy）的背景能量，它遍及宇宙且將宇宙推得更遠、加速宇宙膨脹。1966 年，蘇聯物理學家格林納（Erast Gliner）提出，藉由愛因斯坦的方程式可以產生在外部觀察者看來和黑洞完全一樣的物體，但它實際上是個巨大的真空能量球。如果這樣的物體確實存在，那就意味著暗能量實際上並沒有均勻分布在整個宇宙空間，而是被侷限於特定位置：黑洞的內部。但即使被束縛在這些特定的位置中，暗能量仍會對宇宙發揮拉伸空間的作用。

人們在1990年代發現宇宙正在加速膨脹，宇宙間的萬物都在以愈來愈快的速度相互遠離；但宇宙的物體之間存在著對彼此的引力，這些引力理當會減緩宇宙的膨脹速 度。為了解釋這個現象，科學家提出了能將宇宙間物體分開的「暗能量」，這與愛因斯坦過去曾提出但又放棄的概念「宇宙學常數」（constant coefficient, Λ）很相 似，都是為了對抗引力、防止宇宙塌縮。但我們該如何解釋黑洞？它具有極強的引力，尤其是黑洞中心的重力奇異點（gravitational singularity）這裡的體積無限小、 重力與密度無限大，一切事物都會在此崩毀。

當大質量恆星的生命走到盡頭時，便會形成黑洞；在星系中心發現的黑洞則被稱為超大質量黑洞（supermassive black hole）。由於在相對狹小的空間中包含了數百萬到數十億倍的太陽質量，因此超大質量黑洞具有極強的引力。此外，黑洞也可以透過吸積物體來增加它的尺寸， 例如吞噬距離較近的矮星或是與其他黑洞合併。團隊提出的假說認為，如果超大質量黑洞是暗能量的來源，則它們將與不斷擴張的宇宙空間產生關聯，且質量也應該隨著宇宙的膨脹而變化：如果宇宙的體積翻倍，則黑洞的質量也會翻倍。

為了驗證假說，本次由夏威夷大學主導的跨國團隊研究了演化90億年的黑洞，試圖從數據的長河中找出答案。他們研究了一種稱為龐大橢圓星系（giant elliptical galaxies）的特殊星系，它在宇宙早期演化，而後進入休眠狀態。恆星在這個休眠的星系中已經停止生成，只剩下極少數物質可供此星系中心的黑洞吸積，此星系中 心黑洞的成長無法透過一般的天文物理理論解釋。研究團隊觀察並比較了年輕的遙遠星系與古老且已休眠的龐大橢圓星系，發現龐大橢圓星系中心黑洞的增長幅度比 原先預測的要大得多——目前的黑洞比90億年前大7∼ 20倍，且也大於團隊預期的吸積或合併量。

為什麼星系沒有膨脹，但黑洞膨脹了？如果黑洞是藉由吸積附近的氣體和塵埃而長大，那這些物質應該也會在遠離黑洞的星系產生出許多新的恆星。但如果黑洞是由暗能量構成的，那麼它們就會對宇宙膨脹的變化做出反應。透過量測宇宙不同階段的相關星系群，團隊發現宇宙的大小與黑洞質量非常吻合，顯示黑洞的真空能量可以用來解釋宇宙中測量到的暗能量。本 次的研究結果是第一個表明黑洞實際上包含真空能量 的觀測證據，且黑洞會和宇宙的膨脹耦合，隨著宇宙膨脹而增加自身質量。如果未來能透過進一步觀測證實這一點，那麼宇宙耦合（cosmological coupling）將 重新定義我們對黑洞的理解。

不過仍有科學家對此想法抱持懷疑態度，例如美國芝加哥大學的理論物理學家沃爾德（Robert Wald）就質疑一個純粹的暗能量球體該如何保持穩定？此外，眾所周知 暗能量占了70％的宇宙質能，而黑洞只是普通物質的一小部分——普通物質所占比例不到宇宙的5％，因此他很難理解這些物體與觀察到的暗能量有什麼關係。

另外也有些科學家對此發現持觀望態度。雪梨大學的宇宙學家路易斯（Geraint Lewis）認為這是一個有趣的可能性，但如果要將超大質量黑洞當成可信的暗能量來 源，研究團隊必須取得更多的證據。加拿大圓周理論物理研究所（Perimeter Institute for Theoretical Physics）的 天體物理學家阿夫索迪（Niayesh Afshordi）表示，要確定星系如何隨時間演化是一件棘手的事情，而且可能還有其他團隊沒有考慮過的黑洞成長機制存在。但他仍對此感到興奮，表示我們不該摒棄所有新想法，也支持團隊重新思考關於宇宙的基本假設。

新聞來源
1. RAL Space (15 February 2023). Scientists find first evidence that black holes are the source of dark energy. Phys.org. http://bit.ly/3KxDcFY
2. Mann A. (17 February 2023). Dark energy from supermassive black holes? Physicists spar over radical idea. Science. https://bit.ly/3ZeBzkt