新模型表明黑洞随着宇宙的膨胀而增加质量

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。