新研究表明宇宙膨脹直接影響黑洞生長

在過去的 6 年里，引力波天文臺一直在探測黑洞合并，驗證了阿爾伯特·愛因斯坦引力理論的一個重要預(yù)測。但是有一個問題——這些黑洞中的許多都出乎意料地大?，F(xiàn)在，來自夏威夷大學馬諾阿分校、芝加哥大學和密歇根大學安娜堡分校的一組研究人員針對這個問題提出了一個新的解決方案：黑洞隨著宇宙的膨脹而增長。

自 2015 年激光干涉引力波天文臺 (LIGO) 首次觀測到合并黑洞以來，天文學家一再對其巨大的質(zhì)量感到驚訝。雖然它們不發(fā)光，但通過它們發(fā)出的引力波——愛因斯坦廣義相對論預(yù)測的時空結(jié)構(gòu)中的漣漪——觀察到黑洞合并。物理學家最初預(yù)計黑洞的質(zhì)量將小于太陽的 40 倍，因為合并的黑洞來自大質(zhì)量恒星，如果它們變得太大，它們就無法將自己聚集在一起。

然而，LIGO 和 Virgo 天文臺發(fā)現(xiàn)了許多質(zhì)量大于 50 個太陽的黑洞，有些質(zhì)量達到 100 個太陽。已經(jīng)提出了許多形成如此大的黑洞的形成場景，但沒有一個單一的場景能夠解釋迄今為止觀察到的黑洞合并的多樣性，并且對于哪種形成場景的組合在物理上是可行的也沒有達成一致意見。這項發(fā)表在《天體物理學雜志快報》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。

天文學家通常在無法膨脹的宇宙中模擬黑洞。“這是一個簡化愛因斯坦方程的假設(shè)，因為一個不增長的宇宙要跟蹤的東西要少得多，”UH Mānoa 物理和天文學系教授凱文克羅克說。“雖然有一個權(quán)衡：預(yù)測可能只在有限的時間內(nèi)是合理的。”

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

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

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