新理論：黑洞隨著宇宙膨脹而變大

宇宙膨脹示意圖。（ShutterStock）

【大紀元2021年11月15日訊】（大紀元記者笛睿編譯報導）11月3日發表於《天文物理期刊通訊》（The Astrophysical Journal Letters）的一份研究提出，宇宙中的黑洞會隨著宇宙的膨脹而其質量也在變大。

自從科學家在2015年第一次探測到黑洞合併發出的引力波至今六年來，仍然不斷發現這類信號。這與愛因斯坦的相對論相符。但是科學家發現有一個問題比較奇怪：這些黑洞的質量比理論預期大得多。

物理學家認為，這些黑洞是死亡的恆星坍塌而成。它們的質量應該在太陽的40倍以下才比較合理，但是來自美國的LIGO和意大利的Virgo引力波探測器的數據顯示，其中很多黑洞的質量都在太陽的50倍以上，有的甚至達到太陽的100倍。

科學家對這些較大黑洞的來源進行了很多猜測，但是沒有一種理論能夠解釋為什麼發生合併的黑洞質量從小到大差異這麼大，而且，對於哪些種類的黑洞才有可能發生合併也有不同的觀點。

這份研究稱，他們提出了第一個不論這些黑洞質量的大小，都能做出解釋的理論：因為它們是隨著宇宙膨脹而長大。研究人員把這種現象稱為「宇宙耦合」（cosmological coupling）。

在此之前科學家關注過的也會發生宇宙耦合的最著名的物質是光線。他們認為隨著宇宙的膨脹，光線失去能量。「我們考慮的情況則相反，」這份研究的作者之一夏威夷大學馬諾阿分校（University of Hawaii at Manoa）天文學教授法拉（Duncan Farrah）說，「如果黑洞發生宇宙耦合，導致它們不需要吸收來自其它恆星和氣體的物質也會增加質量，那麼LIGO和Virgo會觀測到什麼？」

研究人員模擬了數百萬對大質量恆星誕生、燃燒、最後死亡的過程，特別關注其中兩顆恆星死亡的時候都變成黑洞的情形。從它們死亡的時間點開始，在它們自旋著不斷靠近的過程中，讓它們的質量也隨著宇宙的膨脹一起增加。

模擬結果顯示，不僅看到更多合併後大質量的黑洞，也看到更多合併事件的發生。研究人員把來自LIGO和Virgo的觀測數據和他們模擬的數據比較，發現它們基本一致。

研究者表示，這個新理論在不改變目前對恆星誕生、成長和死亡認知的情況下，就能對黑洞的質量做出解釋。但是他們謹慎地表示，關於黑洞質量的疑惑還有很多，這個理論不能解釋所有的問題。

合作研究者美國宇航局（NASA）哈勃望遠鏡項目研究員澤文（Michael Zevin）說：「我們對於合併的黑洞很多方面的細節都還不了解，比如發生這些事件最主要的條件是哪些、整個合併過程是怎樣的。我們用的是一套模擬的恆星群體，與觀測到的數據進行對比，其中還有誤差的空間。我們認為用宇宙耦合參與解釋是一個很好的思路，但是我們現在還無法測量這個耦合的強度。」

研究組認為在未來十年，隨著觀測儀器的改進，利用新方法分析更多、更高質量的引力波數據，將有辦法對黑洞與宇宙耦合度進行測量。

責任編輯：葉紫微