新研究提出,宇宙膨胀直接影响黑洞的增长


黑洞合并观测与新模型预测的比较。横轴显示的是两个黑洞在任何单独合并时的总质量,相对于太阳的质量。纵轴给出了观测到合并的时间尺度,红移(表示z)为1时,宇宙的大小是现在的一半,而z = 0时,就是今天。LIGO- Virgo观测结果显示为黑色的十字,较小的十字表示不确定性较小的测量结果。橙色区域显示了对静态(非膨胀)宇宙中黑洞的预测,较暗的阴影代表了更多的预测对象。这与对不断膨胀的宇宙中宇宙耦合黑洞的预测形成了对比,蓝色区域显示了这一预测。CREDIT:夏威夷大学,芝加哥大学,密歇根大学安娜堡分校

在过去的6年里,引力波天文台一直在探测黑洞合并,证实了阿尔伯特·爱因斯坦引力理论的一个重要预测。

但有一个问题——许多黑洞都出人意料地大。现在,一组来自夏威夷大学ʻi at Mānoa、芝加哥大学和密歇根大学安娜堡分校的研究人员对这个问题提出了一个新颖的解决方案:黑洞随着宇宙的膨胀而增长。

自2015年激光干涉仪引力波天文台(LIGO)首次观测到合并黑洞以来,天文学家多次对它们的巨大质量感到惊讶。尽管黑洞不发光,但它们的合并可以通过引力波的发射来观测——引力波是爱因斯坦广义相对论预言的时空结构中的涟漪。物理学家最初预计黑洞的质量将小于太阳的40倍,因为合并黑洞是由大质量恒星产生的,而大质量恒星如果太大就无法将自己保持在一起。

然而,LIGO和室女座天文台已经发现许多黑洞的质量比50个太阳的质量还大,有些黑洞的质量相当于100个太阳。为了产生如此大的黑洞,人们提出了许多形成情景,但迄今为止,没有一种情景能够解释观察到的黑洞合并的多样性,而且对于哪种形成情景组合在物理上是可行的,也没有一致的意见。这项发表在《天体物理学杂志通讯》(Astrophysical Journal Letters)上的新研究首次表明,大黑洞和小黑洞的质量都可以由单一途径产生,在这一途径中,黑洞从宇宙本身的膨胀中获得质量。

天文学家通常会在一个不能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追踪的东西就少得多了,”休斯敦大学Mānoa物理与天文系教授凯文·克罗克(Kevin Croker)说。“但也有一个权衡:预测可能只在有限的时间内是合理的。”

由于LIGO- Virgo探测到的单个事件只持续几秒钟,所以在分析单个事件时,这种简化是合理的。但这些合并可能需要数十亿年的时间。在一对黑洞形成和它们最终合并之间的这段时间里,宇宙发展得非常深刻。如果仔细考虑爱因斯坦理论中更微妙的方面,那么就会出现一种惊人的可能性: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耦合。

宇宙耦合物质最著名的例子就是光本身,它会随着宇宙的增长而失去能量。“我们考虑了相反的效果,”研究合著者、UH Mānoa物理和天文学教授邓肯·法拉说。“如果黑洞在宇宙学上耦合并在不消耗其他恒星或气体的情况下获得能量,LIGO- Virgo会观察到什么?”''

为了调查这一假设,研究人员模拟了数百万对大恒星的诞生、生存和死亡。任何两颗恒星都死亡而形成黑洞的对都与宇宙的大小有关,从它们死亡的时候开始。随着宇宙的持续增长,这些黑洞的质量也在不断增加,因为它们螺旋般地相互靠近。结果是,当它们合并时,不仅有更大质量的黑洞,而且有更多的合并。当研究人员将LIGO- Virgo的数据与他们的预测进行比较时,他们相当一致。“我不得不说,一开始我不知道该怎么想,”研究合著者、密歇根大学教授格雷戈里Tarlé说。“这是一个如此简单的想法,我很惊讶它能如此有效。”

研究人员表示,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。新模型和我们目前的数据之间的一致,仅仅是因为承认现实的黑洞在静态宇宙中不存在。然而,研究人员谨慎地强调,LIGO——室女座大质量黑洞的奥秘还远未解开。

研究合著者、美国宇航局哈勃研究员迈克尔·泽文博士说:“黑洞合并的许多方面还不清楚细节,比如主要的形成环境和贯穿其一生的复杂物理过程。”“虽然我们使用的是反映我们目前拥有的数据的模拟恒星种群,但仍有很大的回旋空间。我们可以看到宇宙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、UH Mānoa物理学和天文学教授Kurtis Nishimura对这个新想法的未来测试表示乐观,“随着引力波天文台在未来十年继续提高灵敏度,数据数量和质量的增加将使新的分析技术成为可能。这很快就会得到衡量。”

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