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宇宙学耦合:黑洞可以从宇宙的膨胀中汲取质量

过去6年中,引力波观测站一直在探测各种黑洞的合并,这些数据验证了爱因斯坦引力理论的重要预言。但是有一个问题——许多黑洞出乎意料地大。现在,夏威夷大学马诺亚分校、芝加哥大学和密歇根大学安阿伯分校的一个研究小组为这个问题提出了新颖的解释:黑洞随着宇宙的膨胀而增长。

自2015年激光干涉仪引力波天文台(LIGO)首次观测到黑洞合并以来,天文学家们一再对它们的巨大质量感到惊讶。尽管黑洞不发光,但通过它们发射的引力波–爱因斯坦的广义相对论所预测的时空结构中的涟漪——物理学家最初预计,合并黑洞的质量将小于太阳的40倍,因为合并的黑洞来自于大质量的恒星,如果它们变得太大,恒星一开始就无法维持自身。

然而,LIGO和Virgo天文台已经发现了许多质量大于50个太阳的黑洞,其中一些黑洞的质量达到了100个太阳。许多形成方案被提出来,但没有一个方案能够解释迄今为止观察到的黑洞多样性,而且对于哪种形成方案的组合在物理上是可行的也没有一致意见。这项发表在《天体物理学杂志》上的新研究首次表明,大黑洞和小黑洞的质量都可以通过单一途径产生,其中黑洞从宇宙本身的膨胀中获得质量。

“天文学家通常在一个不能膨胀的宇宙内建立黑洞模型。”马诺亚大学物理和天文学系教授凯文·克罗克说,”这是用于简化爱因斯坦方程的假设,因为一个不增长的宇宙需要跟踪的东西少得多。但这里有取舍,预测可能只在有限的时间内是合理的。”

因为LIGO-Virgo所探测到的单个事件只持续几秒钟,在分析任何单一事件时,这种简化是合理的。但是这些同样的合并有可能是数十亿年的过程。在一对黑洞的形成和它们最终合并之间的时间里,宇宙在深刻地成长。如果仔细考虑爱因斯坦理论中更微妙的方面,就会出现一种惊人的可能性:黑洞的质量可能与宇宙同步增长,这种现象被克罗克和他的团队称为宇宙学耦合。

宇宙学耦合物质的最著名的例子是光本身,它随着宇宙的增长而失去能量。”我们认为要考虑相反的效果,”研究的共同作者、马诺亚大学物理和天文学教授邓肯·法拉说,”如果黑洞是宇宙学耦合的,并且在不需要消耗其他恒星或气体的情况下获得能量,LIGO-Virgo会观察到什么?”

为了研究这一假设,研究人员模拟了数百万大型恒星的诞生、生活和死亡。然后将任何两颗恒星都死亡形成黑洞的组合与宇宙的大小联系起来,从它们死亡的时间开始。随着宇宙的继续增长,这些黑洞的质量也随着它们的螺旋式上升而增加。其结果是,当黑洞合并时,不仅质量更大,而且合并的次数也更多。当研究人员将LIGO-Virgo的数据与他们的预测相比较时,他们达成了合理的一致。”我不得不说我一开始不知道该怎么想,”研究的共同作者、密歇根大学教授格雷戈里·塔雷说,”这是一个如此简单的想法,我很惊讶它的效果这么好。”

研究人员称,新模型很重要,因为它不需要对我们目前对恒星形成、演化或死亡的理解做任何改变。新模型和我们目前的数据之间的一致性来自于简单地承认现实的黑洞不存在于一个静态的宇宙中。 然而,研究人员小心翼翼地强调,LIGO-Virgo的大质量黑洞之谜远远没有得到解决。

“合并黑洞的许多方面并不为人所知,例如主要的形成环境和贯穿其生命的复杂物理过程,”研究的共同作者和美国宇航局哈勃研究员迈克尔·泽文博士说,”虽然我们使用了一个模拟的恒星群,反映了我们目前拥有的数据,但仍有很大的回旋余地。我们可以看到,宇宙学耦合是一个有用的想法,但我们还不能测量这种耦合的强度。”

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