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新模型表明黑洞的增长可能与宇宙的膨胀“在宇宙学上耦合”

新模型表明黑洞的增长可能与宇宙的膨胀“在宇宙学上耦合”

新模型表明黑洞的增长可能与宇宙的膨胀“在宇宙学上耦合”

(神秘的地球uux.cn报道)据cnBeta:New Atlas报道,围绕着黑洞有许多谜团,现在一个天文学家小组对其中一个谜团提出了一个新的解决方案—为什么这么多观察到的黑洞比预期的质量更大?一个新的模型表明,它们的增长可能与宇宙的膨胀“在宇宙学上耦合”。

2015年,科学家借助激光干涉引力波天文台(LIGO)首次发现了引力波--时空结构本身的涟漪。这些波是在灾难性事件中产生的,最常见的是黑洞之间的碰撞,天文学家可以从这些波逆向计算出参与合并的两个天体的质量。然而他们注意到一些奇怪的事情。

最常见的黑洞类型,也是研究小组预计会在大多数合并中看到的那种,是恒星级黑洞(stellar black hole)。这些黑洞是由大质量恒星坍缩形成的,预计其质量是太阳的5到30倍左右。但是LIGO团队检测到了几个质量大得多的黑洞--例如,有记录以来最大规模的碰撞是两个质量分别为65和85个太阳的黑洞之间的碰撞。

那么,这些黑洞是如何变得如此之大的呢?最常见的解释是,它们通过吞噬物质而成长,包括灰尘、气体、恒星或其他黑洞。但是这项新研究的科学家现在提出了一个相当离奇的替代方案--黑洞的质量可能随着宇宙的扩张而增长,该团队称之为“宇宙学耦合”效应。

这听起来可能有点奇怪,但这个想法并不是完全没有先例。这种可能性是由爱因斯坦的相对论所暗示的,而光已经是一种宇宙学耦合,因为它随着宇宙的膨胀而失去能量,为这种膨胀提供了能量。

“我们认为要考虑相反的效果,”该研究的共同作者Duncan Farrah说。“如果黑洞是宇宙耦合的,并且在不需要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?”

研究小组指出,当黑洞被建模时,它通常是在不膨胀的模拟宇宙中进行的。这是为了简单起见,但可能会掩盖宇宙学耦合的任何影响。因此,在新的研究中,研究人员进行了模拟,考虑了这种膨胀。

他们模拟了数以百万计的恒星,通过它们的诞生、生活和死亡形成黑洞--重要的是,他们将黑洞的质量与模拟宇宙的大小联系起来。这意味着这些黑洞对随着时间的推移质量越来越大,因为它们在螺旋式地接近对方,并最终发生碰撞。

也许并不令人惊讶的是,合并后形成的黑洞质量更大,但这似乎也导致了更多的合并发生。可以肯定的是,这些预测似乎与LIGO-Virgo合作的数据相当吻合。

研究人员表示,新模型运行良好,因为它不需要对我们现有的关于恒星如何形成、生存和死亡的理解进行任何修改。但当然,这个问题远未解决--目前关于黑洞吞噬物质和相互吞噬的想法可能是一个更简单的解释。

“黑洞合并的许多方面并不为人所知,例如主要的形成环境和贯穿其生命的复杂物理过程,”该研究的共同作者Michael Zevin说。“虽然我们使用了一个模拟的恒星群,反映了我们目前拥有的数据,但还是有很大的回旋余地。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。”

随着引力波观测站变得更加敏感,特别是随着新的观测站(如基于空间的LISA)加入搜索,这一想法可以得到检验。

该研究发表在《天体物理学杂志快报》上。




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