據(jù)New Atlas報(bào)道，圍繞著黑洞有許多謎團(tuán)，現(xiàn)在一個(gè)天文學(xué)家小組對(duì)其中一個(gè)謎團(tuán)提出了一個(gè)新的解決方案—為什么這么多觀察到的黑洞比預(yù)期的質(zhì)量更大? 一個(gè)新的模型表明，它們的增長(zhǎng)可能與宇宙的膨脹“在宇宙學(xué)上耦合”。

2015年，科學(xué)家借助激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)首次發(fā)現(xiàn)了引力波--時(shí)空結(jié)構(gòu)本身的漣漪。這些波是在災(zāi)難性事件中產(chǎn)生的，最常見的是黑洞之間的碰撞，天文學(xué)家可以從這些波逆向計(jì)算出參與合并的兩個(gè)天體的質(zhì)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(yù)計(jì)會(huì)在大多數(shù)合并中看到的那種，是恒星級(jí)黑洞(stellar black hole)。這些黑洞是由大質(zhì)量恒星坍縮形成的，預(yù)計(jì)其質(zhì)量是太陽(yáng)的5到30倍左右。但是LIGO團(tuán)隊(duì)檢測(cè)到了幾個(gè)質(zhì)量大得多的黑洞--例如，有記錄以來(lái)最大規(guī)模的碰撞是兩個(gè)質(zhì)量分別為65和85個(gè)太陽(yáng)的黑洞之間的碰撞。

那么，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(guò)吞噬物質(zhì)而成長(zhǎng)，包括灰塵、氣體、恒星或其他黑洞。但是這項(xiàng)新研究的科學(xué)家現(xiàn)在提出了一個(gè)相當(dāng)離奇的替代方案--黑洞的質(zhì)量可能隨著宇宙的擴(kuò)張而增長(zhǎng)，該團(tuán)隊(duì)稱之為“宇宙學(xué)耦合”效應(yīng)。

這聽起來(lái)可能有點(diǎn)奇怪，但這個(gè)想法并不是完全沒有先例。這種可能性是由愛因斯坦的相對(duì)論所暗示的，而光已經(jīng)是一種宇宙學(xué)耦合，因?yàn)樗S著宇宙的膨脹而失去能量，為這種膨脹提供了能量。

“我們認(rèn)為要考慮相反的效果，”該研究的共同作者Duncan Farrah說(shuō)。“如果黑洞是宇宙耦合的，并且在不需要消耗其他恒星或氣體的情況下獲得能量，LIGO-Virgo會(huì)觀察到什么?”

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

他們模擬了數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的恒星，通過(guò)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(zhì)量與模擬宇宙的大小聯(lián)系起來(lái)。這意味著這些黑洞對(duì)隨著時(shí)間的推移質(zhì)量越來(lái)越大，因?yàn)樗鼈冊(cè)诼菪降亟咏鼘?duì)方，并最終發(fā)生碰撞。

也許并不令人驚訝的是，合并后形成的黑洞質(zhì)量更大，但這似乎也導(dǎo)致了更多的合并發(fā)生?？梢钥隙ǖ氖?，這些預(yù)測(cè)似乎與LIGO-Virgo合作的數(shù)據(jù)相當(dāng)吻合。

研究人員表示，新模型運(yùn)行良好，因?yàn)樗恍枰獙?duì)我們現(xiàn)有的關(guān)于恒星如何形成、生存和死亡的理解進(jìn)行任何修改。但當(dāng)然，這個(gè)問題遠(yuǎn)未解決--目前關(guān)于黑洞吞噬物質(zhì)和相互吞噬的想法可能是一個(gè)更簡(jiǎn)單的解釋。

“黑洞合并的許多方面并不為人所知，例如主要的形成環(huán)境和貫穿其生命的復(fù)雜物理過(guò)程，”該研究的共同作者M(jìn)ichael Zevin說(shuō)。“雖然我們使用了一個(gè)模擬的恒星群，反映了我們目前擁有的數(shù)據(jù)，但還是有很大的回旋余地。我們可以看到，宇宙學(xué)耦合是一個(gè)有用的想法，但我們還不能測(cè)量這種耦合的強(qiáng)度。”

隨著引力波觀測(cè)站變得更加敏感，特別是隨著新的觀測(cè)站(如基于空間的LISA)加入搜索，這一想法可以得到檢驗(yàn)。

該研究發(fā)表在 《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》 上。

關(guān)鍵詞： 黑洞 宇宙 恒星級(jí)黑洞 LIGO團(tuán)隊(duì)