在過去6年中，引力波觀測站一直在探測黑洞的合併，驗證了愛因斯坦引力理論的一個重要預測。但是有一個問題–許多這些黑洞都出乎意料地大。現在，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個研究小組為這個問題提出了一個新的解決方案：黑洞隨着宇宙的膨脹而增長。
自從2015年激光干涉引力波天文台（LIGO）首次觀測到合併的黑洞以來，天文學家們一再對它們的巨大質量感到驚訝。儘管黑洞不發光，但通過它們發射的引力波–愛因斯坦的廣義相對論所預測的時空結構中的漣漪–來觀察黑洞合併。物理學家最初預計，黑洞的質量將小於太陽的40倍，因為合併的黑洞來自於大質量的恆星，如果它們變得太大，就無法維持自己。
然而，LIGO和Virgo天文台已經發現了許多質量大於50個太陽的黑洞，其中一些黑洞的質量達到了100個太陽。許多形成方案被提出來以產生如此大的黑洞，但是沒有一個方案能夠解釋迄今為止觀察到的黑洞合併的多樣性，而且對於哪種形成方案的組合在物理上是可行的也沒有一致意見。這項發表在《天體物理學雜誌》上的新研究首次表明，大黑洞和小黑洞的質量都可以通過單一途徑產生，其中黑洞從宇宙本身的膨脹中獲得質量。
天文學家通常在一個不能膨脹的宇宙內建立黑洞模型。夏威夷大學馬諾阿分校物理和天文學系教授 Kevin Croker說：“這是一個簡化愛因斯坦方程的假設，因為一個不增長的宇宙需要跟蹤的東西少得多。但有一個權衡：預測可能只在有限的時間內是合理的。”
因為LIGO-Virgo所探測到的單個事件只持續幾秒鐘，在分析任何單一事件時，這種簡化是合理的。 但是這些同樣的合併有可能是數十億年的過程。 在兩個黑洞的形成和它們最終合併之間的時間裡，宇宙在深刻地成長。如果仔細考慮愛因斯坦理論中更微妙的方面，就會出現一種驚人的可能性：黑洞的質量可能與宇宙同步增長，這種現象被Croker和他的團隊稱為“宇宙學耦合”。
宇宙學耦合物質的最著名的例子是光本身，它隨着宇宙的增長而失去能量。“我們認為要考慮相反的效果，”研究的共同作者、夏威夷大學馬諾阿分校物理和天文學教授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？”
為了研究這一假設，研究人員模擬了數百萬對大型恆星的誕生、生活和死亡。任何兩顆恆星都死亡形成黑洞的配對，然後與宇宙的大小聯繫起來，從它們死亡的時間開始。隨着宇宙的繼續增長，這些黑洞的質量也隨着它們的螺旋式上升而增長。其結果是，當黑洞合併時，不僅質量更大，而且合併的次數也更多。當研究人員將LIGO-Virgo的數據與他們的預測相比較時，他們達成了合理的一致。“我不得不說我一開始不知道該怎麼想，”研究的共同作者、密歇根大學教授Gregory Tarlé說。“這是一個如此簡單的想法，我很驚訝它的效果這麼好。”
根據研究人員的說法，這個新模型很重要，因為它不需要對我們目前對恆星形成、演化或死亡的理解做任何改變。新模型和我們目前的數據之間的一致性來自於簡單地承認現實的黑洞不存在於一個靜態的宇宙中。 然而，研究人員強調，LIGO-Virgo的大質量黑洞之謎遠遠沒有得到解決。
“合併黑洞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，”研究的共同作者、美國宇航局哈勃研究員Michael Zevin博士說。“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，但仍有很大的迴旋餘地。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。”
研究的共同作者、夏威夷大學馬諾阿分校物理和天文學教授Kurtis Nishimura對這一新想法的未來測試表示樂觀。“隨着引力波觀測站在未來十年繼續提高靈敏度，數據數量和質量的增加將使新的分析技術成為可能。這將很快被測量出來。”