黑洞可能会从宇宙本身的膨胀中获得质量
FUTURE远见| 2021-11-15
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在过去的 6 年里，引力波天文台一直在探测黑洞合并，验证了阿尔伯特·爱因斯坦引力理论的一个重要预测。但是有一个问题——许多黑洞的质量都出乎意料地大。现在，来自夏威夷大学马诺阿分校、芝加哥大学和密歇根大学安娜堡分校的一组研究人员针对这个问题提出了一个新的解决方案：黑洞的质量随着宇宙的膨胀而增长。
黑洞的第一个渲染图像，被落入的物质照亮。在这项研究中，研究人员提出了一个模型，这些物体可以在不吸收物质的情况下获得质量：它们可以在宇宙学上与宇宙本身的增长耦合。
自2015 年激光干涉引力波天文台 (LIGO )首次观测到合并黑洞以来，天文学家一再对其巨大的质量感到惊讶。尽管它们不发光，但通过它们发出的引力波（爱因斯坦广义相对论预测的时空结构中的涟漪）观察到了黑洞合并。物理学家最初预计黑洞的质量将小于太阳的 40 倍，因为合并的黑洞是由大质量恒星产生的，如果它们太大，它们就无法维持稳定。
然而，LIGO 和 Virgo 天文台发现了许多质量大于 50 个太阳的黑洞，有些质量达到 100 个太阳。已经提出了许多形成如此大的黑洞的场景，但没有一种场景能够解释迄今为止观察到的黑洞合并的多样性，并且对于哪种形成场景的组合在物理上是可行的也没有达成一致意见。这项发表在《天体物理学杂志快报》上的新研究首次表明，大黑洞和小黑洞的质量都可以由一条路径产生，原因是黑洞从宇宙本身的膨胀中获得质量。
黑洞合并观测与新模型预测的比较。水平轴显示了任何单个合并中两个黑洞的总质量，相对于太阳的质量。纵轴表示观察到的合并时间距今天有多久远，其中红移（用 z 表示）为 1 对应于宇宙是当前大小的一半时，z = 0 是今天。LIGO-Virgo 观测值显示为黑色十字，较小的十字表示不确定性较小的测量值。橙色区域显示了对静态（未膨胀）宇宙中黑洞的预测，较暗的阴影表示更多的预测对象。这些与对不断增长的宇宙中的宇宙耦合黑洞的预测形成对比，后者显示在蓝色区域
天文学家通常在无法膨胀的宇宙中模拟黑洞。「这是一个简化爱因斯坦方程的假设，因为一个不增长的宇宙要研究的东西要少得多，」 UH Mānoa 物理和天文学系教授凯文克罗克说。「虽然有一个权衡：预测可能只在有限的时间内是合理的。」
由于 LIGO-Virgo 可检测到的单个事件仅持续几秒钟，因此在分析任何单个事件时，这种简化是明智的。但这些相同的合并可能需要数十亿年的时间。在一对黑洞的形成和它们最终合并之间的时间里，宇宙深刻地成长。如果仔细考虑爱因斯坦理论中更微妙的方面，就会出现一个惊人的可能性：黑洞的质量可能与宇宙同步增长，克罗克和他的团队将这种现象称为宇宙学耦合。
宇宙学耦合最著名的例子是光本身，它随着宇宙的增长而失去能量。「我们想考虑相反的影响，」研究合著者、物理学和天文学教授 Duncan Farrah 说。「如果黑洞在宇宙学上耦合并获得能量而不需要消耗其他恒星或气体，LIGO-Virgo 会观察到什么？」
为了研究这一假设，研究人员模拟了数百万对大恒星的诞生、生活和死亡。任何一对恒星死亡后形成的黑洞都与宇宙的大小有关，从它们死亡的时间开始。随着宇宙继续增长，这些黑洞的质量随着它们相互盘旋而增长。结果不仅是它们合并时变成了更大的黑洞，而且还会发生有更多的合并。当研究人员将 LIGO-Virgo 数据与他们的预测进行比较时，他们相当一致。「我不得不说，我一开始不知道该想什么，」研究合著者、密歇根大学教授格雷戈里·塔尔 (Gregory Tarlé) 说。「这是一个如此简单的想法，我很惊讶它的效果如此之好。」
据研究人员称，这个新模型很重要，因为它不需要改变我们目前对恒星形成、演化或死亡的理解。新模型与我们当前数据之间的一致性来自简单地承认现实的黑洞不存在于静态宇宙中。然而，研究人员小心地强调，LIGO—Virgo’s巨大黑洞的谜团远未解开。
「合并黑洞的许多方面尚不清楚，例如占主导地位的形成环境和贯穿其一生的复杂物理过程，」研究合著者和美国宇航局哈勃研究员迈克尔泽文博士说。「虽然我们的模拟完全符合我们目前拥有的数据，但仍有很大的回旋余地。我们可以看到宇宙学耦合是一个有用的想法，但我们还不能测量这种耦合的强度。」
研究合著者、物理学和天文学教授 Kurtis Nishimura 对这一新想法的未来表示乐观，「随着引力波天文台在未来十年继续提高灵敏度，数据的数量和质量的增加将使新的分析成为可能。」
参考：
「Cosmologically Coupled Compact Objects: ASingle-parameter Model for LIGO–Virgo Mass and Redshift Distributions」 by KevinS. Croker, Michael Zevin, Duncan Farrah, Kurtis A. Nishimura and Gregory Tarlé,3 November 2021, *The Astrophysical Journal Letters*.
DOI:
10.3847/2041-8213/ac2fad](https://doi.org/10.3847/2041-8213/ac2fad
原文链接：
https://scitechdaily.com/black-holes-may-gain-mass-from-the-expansion-of-the-universe-itself/
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