新研究表明宇宙膨脹直接影響黑洞生長(zhǎng)

在過(guò)去的 6 年里，引力波天文臺(tái)一直在探測(cè)黑洞合并，驗(yàn)證了阿爾伯特·愛(ài)因斯坦引力理論的一個(gè)重要預(yù)測(cè)。但是有一個(gè)問(wèn)題——這些黑洞中的許多都出乎意料地大。現(xiàn)在，來(lái)自夏威夷大學(xué)馬諾阿分校、芝加哥大學(xué)和密歇根大學(xué)安娜堡分校的一組研究人員針對(duì)這個(gè)問(wèn)題提出了一個(gè)新的解決方案：黑洞隨著宇宙的膨脹而增長(zhǎng)。

自 2015 年激光干涉引力波天文臺(tái) (LIGO) 首次觀測(cè)到合并黑洞以來(lái)，天文學(xué)家一再對(duì)其巨大的質(zhì)量感到驚訝。雖然它們不發(fā)光，但通過(guò)它們發(fā)出的引力波——愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)的時(shí)空結(jié)構(gòu)中的漣漪——觀察到黑洞合并。物理學(xué)家最初預(yù)計(jì)黑洞的質(zhì)量將小于太陽(yáng)的 40 倍，因?yàn)楹喜⒌暮诙磥?lái)自大質(zhì)量恒星，如果它們變得太大，它們就無(wú)法將自己聚集在一起。

然而，LIGO 和 Virgo 天文臺(tái)發(fā)現(xiàn)了許多質(zhì)量大于 50 個(gè)太陽(yáng)的黑洞，有些質(zhì)量達(dá)到 100 個(gè)太陽(yáng)。已經(jīng)提出了許多形成如此大的黑洞的形成場(chǎng)景，但沒(méi)有一個(gè)單一的場(chǎng)景能夠解釋迄今為止觀察到的黑洞合并的多樣性，并且對(duì)于哪種形成場(chǎng)景的組合在物理上是可行的也沒(méi)有達(dá)成一致意見(jiàn)。這項(xiàng)發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》上的新研究首次表明，大小黑洞的質(zhì)量都可以由一條路徑產(chǎn)生，其中黑洞從宇宙本身的膨脹中獲得質(zhì)量。

天文學(xué)家通常在無(wú)法膨脹的宇宙中模擬黑洞。“這是一個(gè)簡(jiǎn)化愛(ài)因斯坦方程的假設(shè)，因?yàn)橐粋€(gè)不增長(zhǎng)的宇宙要跟蹤的東西要少得多，”UH Mānoa 物理和天文學(xué)系教授凱文克羅克說(shuō)。“雖然有一個(gè)權(quán)衡：預(yù)測(cè)可能只在有限的時(shí)間內(nèi)是合理的。”

由于 LIGO--Virgo 可檢測(cè)到的單個(gè)事件僅持續(xù)幾秒鐘，因此在分析任何單個(gè)事件時(shí)，這種簡(jiǎn)化是明智的。但這些相同的合并可能需要數(shù)十億年的時(shí)間。在一對(duì)黑洞的形成和它們最終合并之間的時(shí)間里，宇宙深刻地成長(zhǎng)。如果仔細(xì)考慮愛(ài)因斯坦理論中更微妙的方面，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)驚人的可能性：黑洞的質(zhì)量可能與宇宙同步增長(zhǎng)，克羅克和他的團(tuán)隊(duì)將這種現(xiàn)象稱為宇宙耦合。

宇宙學(xué)耦合材料最著名的例子是光本身，它隨著宇宙的增長(zhǎng)而失去能量。“我們想考慮相反的影響，”研究合著者、UH Mānoa 物理學(xué)和天文學(xué)教授 Duncan Farrah 說(shuō)。“如果黑洞在宇宙學(xué)上耦合并獲得能量而不需要消耗其他恒星或氣體，LIGO-Virgo 會(huì)觀察到什么?

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