黑洞真的是暗能量来源吗

最近关于“黑洞是暗能量来源”的新闻引起了很多人注意，说的是天文学家基于观测数据首次发现了暗能量来源竟然是黑洞的证据。相关的两篇论文已经发表在 2023 年 2 月份的《天体物理学杂志》和《天体物理学杂志快报》上。

说到暗能量，欧航局的欧几里德任务不就是专门寻找暗物质和暗能量吗，于是我特地去问了问参与该项目的 @_宇正_，看看他们业内人士对此事是什么看法。

关于暗能量之前我们曾专门介绍过，这里就不赘述了。简单来说，就是我们在观测中发现宇宙是在加速膨胀，因此不得已在原方程中强行添加了个“未知项”来平衡方程。由于不知道它究竟是什么，所以我们暂时给它起了个名，叫“暗”能量。

关于暗能量目前我们对它知之甚少。暗物质至少我们还能通过引力效应间接地看到它，推断它大概在哪个位置，但暗能量真的就像是隐藏在宇宙间的幽灵，从种种迹象我们知道应该有这么个东西，但是至于它在哪儿、究竟是什么，我们都一无所知。

而这次，研究人员认为他们或许发现了这个幽灵的藏身之处，就是黑洞。该理论也成了首个不用引入额外新物理就能解释暗能量起源的理论。

需要强调一点：该理论并不是基于理论计算得出的结果，而是基于实打实的观测证据做出的反向推测。这是否意味着这次真的是个靠谱的大发现呢？那就要看这项研究到底说了些什么。

我们知道，黑洞按质量可以分为几十倍太阳质量的恒星级黑洞（SBH）、上百甚至上万倍太阳质量的中等质量黑洞（IMBH），以及那些可以高达数十亿倍的超大质量黑洞（SMBH）。这些黑洞中有一类至今仍让人感到困惑，那就是位于星系中心的超大质量黑洞。

无论是恒星级黑洞还是中等质量黑洞，它们的增长通常来说主要靠的是吸积物质或者吞并其他黑洞。

但是对于星系中心的黑洞，尤其是巨大的椭圆星系中的那些拥有数十亿倍太阳质量的超大质量黑洞来说，它们的个头实在太大了，大到以至于从宇宙诞生到现在，138 亿年的时间也不够形成这么大的黑洞。

对于超大质量黑洞个头增长过快这个问题，一直困扰着天文学家。为此很多人也提出了各种各样的猜想：有说这类黑洞的前身可能是个超大质量的恒星（有人叫它“黑洞星”）；也有说它是由一个上百万个恒星组成的超大质量恒星团集体塌缩而成；甚至还有说它可能是由暗物质形成的黑洞种子演化而来…… 一时间众说纷纭。

反正没个定论，那我们不如也给个猜测：超大质量黑洞增长过快会不会和宇宙的加速膨胀有什么关系呢？

于是研究人员从该问题入手，他们先是舍弃了目前传统的黑洞模型。这类黑洞因为具有奇点这样的奇异性，所以并不是一个完善的模型。他们选择了一些无奇点的黑洞模型，质量可以随膨胀率和时间而变化（类似宇宙学红移），这样黑洞的增长就不用只依靠吸积和合并方式，他们称该模型为“宇宙学耦合”模型。

接着他们对这种宇宙学耦合的黑洞模型进行了测试。他们在 z<2.7 的范围内选择了一些椭圆星系，这些星系除了附近的一些现代星系外，还有一些几十亿年前位于宇宙不同时期的星系。然后他们对这些星系中心黑洞的质量以及宿主星系内的恒星质量进行了比较分析。

对于这些椭圆星系来说，它们通常已经过了大批量诞生恒星的阶段，可以说进入了休眠状态。所以对中心黑洞来说它基本上已经不再怎么增长，毕竟已经吃得差不多了。但是观测数据表明，这些黑洞要比其早年间增大了许多，质量增加了 7~20 倍。

由于缺少食物，靠吸积增长显然不可能，那有没有可能是通过吞并矮星系导致的黑洞合并呢？但是比较了星系中恒星总质量的增加程度来看，黑洞的质量增加速率要快得多。因此，吸积和合并的可能性都被排除了。

到这里一切都还正常，结论也和往常一样。而之后他们开始验证自己的猜测：这些黑洞的质量增长会不会和宇宙膨胀有关。假如两者之间真的存在某种联系，我们应该能从两者数值的耦合度上发现点什么。

于是他们假设了个耦合参数 k，如果 k=0 则说明两者没有关系；如果 k=3 则说明两者有着强耦合关系，至少在数值上是这样。

结果发现，在所有的样本中 k 值看起来都是 3，也就是说黑洞的质量增长和宇宙的膨胀在数值上强相关，这意味着这些黑洞和暗能量之间似乎有着某种联系。

除此之外，根据主导不同，宇宙曾经历过三个时期：第一批原子形成以前、由辐射主导的辐射期，类星体和第一代恒星诞生、由物质主导的物质期，以及在那之后由暗能量主导的暗能量期。如果这些超大质量黑洞早先也是某种恒星残骸的话，这就与暗能量期要晚于物质期对应上了。

但是黑洞作为一种天体，它何德何能来左右宇宙的行为呢？虽然这里面的细节仍然不得而知，但是研究人员猜测，这或许和黑洞内部包含的真空能有关。注意：这里的真空能并非量子力学中的真空零点能，它是爱因斯坦在广义相对论中提出的一种能量，这种能量或许就是导致宇宙加速膨胀的暗能量的来源。

以上是针对论文内容的解读，最后再说说对于该结论的一些看法。

这篇论文让人联想到 2012 年《新英格兰医学杂志》上的一篇文章：作者统计了全球 23 个国家和地区的巧克力消费量，发现它与诺贝尔获得者的数量之间存在高度的相关性。

据此作者得出个结论：吃巧克力可以增强认知功能！显然这个结论给的过于草率，少考虑了太多其他因素，完全经不起推敲。

所谓相关性不代表因果性，它可能是由其他原因导致的相关，也可能只是一种简单的巧合。再没有更加有力的证据出来前，黑洞增长和宇宙膨胀之间存在内在联系的可能性有，但是很小很小。

论文的观点确实新颖，研究人员可能是想抛个砖引个玉，也可能是想在新方向上先占个坑，所以他们把偏观测的那篇发在了《天体物理学杂志》上，而把这个偏脑洞的研究发在了及时性更高的《天体物理学杂志快报》上。

总的来说，对于“黑洞是暗能量来源”这个观点，目前仅仅是在某些数值上看到了一定的相关性，但也仅此而已。没有为什么相关，也没有具体是怎么相关，更没有内在的因果关系。或许未来有一天我们真找到了两者的内在联系，但那也肯定是建立在更加坚实有力的证据基础上。毕竟还是那句话：非同寻常的观点需要非同寻常的证据！

本文来自微信公众号：Linvo 说宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo

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