黑洞可能会与宇宙一起膨胀

2015年,在地球上探测到两个黑洞在宇宙中产生的涟漪时,两个黑洞被捕捉到合并。从那时起,引力波探测器发现了更多这样的合并,拓宽了我们对科学上已知的最伟大的碰撞的理解。现在,一组天体物理学家对这些探测数据进行了研究,他们提出超大质量黑洞实际上是随着宇宙本身而膨胀的。

宇宙正在加速膨胀,但并不是所有的东西都在变大。相反,随着两个星系之间空间的扩大,像星系这样的巨大质量正在离我们越来越远。我们并没有在局部经历这种膨胀,因为重力将我们的太阳系和其他物质聚集在一起,但当我们向外看去,注意到遥远的星系正在加速远离我们时,我们可以看到这种膨胀。没有人确切地知道为什么宇宙膨胀得越来越快,但天体物理学家将其归咎于一种称为暗能量的无法解释的东西。

然而,根据一篇新的研究论文,宇宙的膨胀实际上可能使某些物体变得更大。研究人员认为,超大质量黑洞的质量足够大,寿命足够长,足以受到这种膨胀的影响,这意味着,与地球、太阳或其他受引力束缚的物体不同,黑洞显著地随着宇宙增长。这篇论文上周发表在《天体物理学杂志通讯》上。

2015年的探测是由LIGO-Virgo合作组织完成的,这是一项利用激光束和镜子捕捉时空涟漪(即引力波)的地下实验。这篇新论文背后的团队观察了像造成2015年信号的两个物体一样的黑洞。

该研究小组模拟了黑洞的大小与宇宙膨胀的比例,发现黑洞在相互旋转的过程中会增长。(这种黑洞的膨胀甚至会发生在那些没有相互旋转的黑洞上——只是那些黑洞是我们可以通过探测它们的引力波看到的。)星系中心的黑洞也会随着宇宙膨胀。

夏威夷大学(University of hawaii)天体物理学家、这篇论文的合著者凯文·克罗克(Kevin Croker)在一封电子邮件中说:“我们已经提出,任何黑洞的质量都与宇宙的大小成正比,并提高到某个指数。”这个指数给出了耦合的“强度”。在任何膨胀的宇宙中,所有黑洞的质量都会以这种方式增长。如果宇宙的膨胀在加速,黑洞的质量就会增长得越来越快。因此,不是扩张的加速导致了增长,而是扩张本身。

通常情况下,黑洞是在一个不膨胀的宇宙中建模的——基本上,这是一种瞬时测量,使天体物理学家可以计算黑洞的质量,而不必担心宇宙膨胀如何改变事情。

黑洞是已知的宇宙中密度最大的物体,是由巨大的恒星自身坍缩形成的,它可以在很长的时间尺度内相互合并,有时需要数十亿年。由于这些合并所花费的时间,这意味着黑洞形成时的宇宙规模要比黑洞实际碰撞时的宇宙规模小得多。芝加哥大学(University of Chicago)天体物理学家、美国国家航空航天局(NASA)哈勃研究员、这篇论文的合著者迈克尔·泽文(Michael Zevin)表示,任何合并所涉及的质量都取决于它们最初的大小,取决于它们的形成、它们轨道的形状和大小,当然还有它们的年龄。

这在很大程度上仍然是一种假设,但宇宙耦合——即粒子或物体的属性与宇宙的属性相关联——确实存在于其他地方。光子,即光的粒子,在宇宙学上是耦合的,但相反,黑洞在增长中获得能量,而光子在宇宙膨胀中失去能量,因为它们的波长随着时间的推移而拉长。

让这一切更加令人兴奋的是,耦合特性并不只存在于黑洞和光子之间。密歇根大学(University of Michigan)天体物理学家、这篇论文的合著者格雷戈里在一封电子邮件说,更普通质量的物质,比如你自己的身体或太阳核心,与宇宙膨胀率的结合非常、非常微弱。似乎只有在我们宇宙中最极端的环境中才会观察到这种效应:黑洞,可能还有中子星。

目前,这还只是一个想法,但一旦新的引力波探测器建成,研究这些波纹的人将能够更明确地定位它们的起源,并更好地理解碰撞是如何发生的。即将上线的新望远镜将能够对可观测宇宙中的几乎所有事件进行成像,使天文学家能够更好地观察这些现象及其影响。也许我们正处在新事物的边缘。

作者:是柚子呀,如若转载,请注明出处:https://eozlab.com/zirankexue/tianwen/1876.html