新模型表明黑洞隨着宇宙的膨脹而增加質量

據New Atlas報道，圍繞着黑洞有許多謎團，現在一個天文學家小組對其中一個謎團提出了一個新的解決方案—為什麼這麼多觀察到的黑洞比預期的質量更大？一個新的模型表明，它們的增長可能與宇宙的膨脹“在宇宙學上耦合”。

2015年，科學家藉助激光干涉引力波天文台（LIGO）首次發現了引力波–時空結構本身的漣漪。這些波是在災難性事件中產生的，最常見的是黑洞之間的碰撞，天文學家可以從這些波逆向計算出參與合併的兩個天體的質量。然而他們注意到一些奇怪的事情。

最常見的黑洞類型，也是研究小組預計會在大多數合併中看到的那種，是恆星級黑洞（stellar black hole）。這些黑洞是由大質量恆星坍縮形成的，預計其質量是太陽的5到30倍左右。但是LIGO團隊檢測到了幾個質量大得多的黑洞–例如，有記錄以來最大規模的碰撞是兩個質量分別為65和85個太陽的黑洞之間的碰撞。

那麼，這些黑洞是如何變得如此之大的呢？最常見的解釋是，它們通過吞噬物質而成長，包括灰塵、氣體、恆星或其他黑洞。但是這項新研究的科學家現在提出了一個相當離奇的替代方案–黑洞的質量可能隨着宇宙的擴張而增長，該團隊稱之為“宇宙學耦合”效應。

這聽起來可能有點奇怪，但這個想法並不是完全沒有先例。這種可能性是由愛因斯坦的相對論所暗示的，而光已經是一種宇宙學耦合，因為它隨着宇宙的膨脹而失去能量，為這種膨脹提供了能量。

“我們認為要考慮相反的效果，”該研究的共同作者Duncan Farrah說。“如果黑洞是宇宙耦合的，並且在不需要消耗其他恆星或氣體的情況下獲得能量，LIGO-Virgo會觀察到什麼？”

研究小組指出，當黑洞被建模時，它通常是在不膨脹的模擬宇宙中進行的。這是為了簡單起見，但可能會掩蓋宇宙學耦合的任何影響。因此，在新的研究中，研究人員進行了模擬，考慮了這種膨脹。

他們模擬了數以百萬計的恆星，通過它們的誕生、生活和死亡形成黑洞–重要的是，他們將黑洞的質量與模擬宇宙的大小聯繫起來。這意味着這些黑洞對隨着時間的推移質量越來越大，因為它們在螺旋式地接近對方，並最終發生碰撞。

也許並不令人驚訝的是，合併后形成的黑洞質量更大，但這似乎也導致了更多的合併發生。可以肯定的是，這些預測似乎與LIGO-Virgo合作的數據相當吻合。

研究人員表示，新模型運行良好，因為它不需要對我們現有的關於恆星如何形成、生存和死亡的理解進行任何修改。但當然，這個問題遠未解決–目前關於黑洞吞噬物質和相互吞噬的想法可能是一個更簡單的解釋。

“黑洞合併的許多方面並不為人所知，例如主要的形成環境和貫穿其生命的複雜物理過程，”該研究的共同作者Michael Zevin說。“雖然我們使用了一個模擬的恆星群，反映了我們目前擁有的數據，但還是有很大的迴旋餘地。我們可以看到，宇宙學耦合是一個有用的想法，但我們還不能測量這種耦合的強度。”

隨着引力波觀測站變得更加敏感，特別是隨着新的觀測站（如基於空間的LISA）加入搜索，這一想法可以得到檢驗。

該研究發表在《天體物理學雜誌快報》上。