合併黑洞的大小超乎預期怎麼回事?它們可能跟著宇宙膨脹成長

作者 | 發布日期 2021 年 11 月 05 日 13:17 | 分類 天文 Telegram share ! follow us in feedly


過去幾年,天文學家已利用重力波探測發現無數黑洞合併事件,驗證愛因斯坦重要的相對論預測。然而探測結果也帶來一項新問題:為什麼許多黑洞都出乎意料的大?一篇新研究對此見解,黑洞實際上很可能從宇宙自身膨脹中獲得質量、隨著宇宙膨脹成長。

自 2015 年雷射干涉引力波天文台(LIGO)首次觀測到雙黑洞合併以來(於 2016 年公布),天文學家一再對這些黑洞的巨大質量感到驚訝。物理學家最初預計黑洞質量應小於太陽質量 40 倍,因為黑洞前身為大質量恆星,太大的話無法相互繞旋,但在 LIGO 與 Virgo 天文台陸續發現許多質量都超過太陽 50 倍的黑洞,有些甚至高達太陽質量 100 倍,沒有單一理論可以解釋迄今觀察到黑洞合併的多樣性。

由於 LIGO 和 Virgo 檢測到的單個事件都僅持續幾秒鐘,因此天文學家通常在簡化愛因斯坦方程的不膨脹宇宙模型中模擬黑洞,此前提下須考慮的條件相對少。然而一對黑洞從形成、旋近到合併期間,宇宙正在同步膨脹,如果仔細思考愛因斯坦理論中更微妙的含義,夏威夷大學馬諾阿分校、芝加哥大學、密西根大學安娜堡分校團隊新研究表明,如此便會出現一個驚人的可能性:黑洞質量可能與宇宙膨脹同步增長。

團隊將這種現象稱為宇宙耦合。宇宙學耦合最著名的例子是光本身隨著宇宙增長而失去能量,但若假設黑洞持相反之道、其合併能量不需消耗其他恆星或氣體,那麼 LIGO- Virgo 會觀察到什麼?

為了驗證此一假設,研究人員模擬了數百萬對大質量恆星的誕生與死亡,發現恆星死亡後形成的任何黑洞對都與宇宙大小有關,隨著宇宙持續增長,這些黑洞質量也在相互盤旋過程中變大,最終導致它們合併成出乎意料的大黑洞,合併事件也更多了。

根據研究人員描述,這個新模型不需改變我們目前對恆星形成、演化或死亡的理解,但可解釋當前收集到的數據,只要簡單承認黑洞不存在於靜態宇宙中即可。

隨著重力波天文台持續提高探測靈敏度,更多高品質數據將有助於衡量這項新想法。新論文發表在《天文物理期刊通訊》(Astrophysical Journal Letters)。

(首圖來源:Jean-Pierre Luminet/夏威夷大學

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