新理论：黑洞随着宇宙膨胀而变大

11月3日发表于《天文物理期刊通讯》（The Astrophysical Journal Letters）的一份研究提出，宇宙中的黑洞会随着宇宙的膨胀而其质量也在变大。

宇宙膨胀示意图。

自从科学家在2015年第一次探测到黑洞合并发出的引力波至今六年来，仍然不断发现这类信号。这与爱因斯坦的相对论相符。但是科学家发现有一个问题比较奇怪：这些黑洞的质量比理论预期大得多。

物理学家认为，这些黑洞是死亡的恒星坍塌而成。它们的质量应该在太阳的40倍以下才比较合理，但是来自美国的LIGO和意大利的Virgo引力波探测器的数据显示，其中很多黑洞的质量都在太阳的50倍以上，有的甚至达到太阳的100倍。

科学家对这些较大黑洞的来源进行了很多猜测，但是没有一种理论能够解释为什么发生合并的黑洞质量从小到大差异这么大，而且，对于哪些种类的黑洞才有可能发生合并也有不同的观点。

这份研究称，他们提出了第一个不论这些黑洞质量的大小，都能做出解释的理论：因为它们是随着宇宙膨胀而长大。研究人员把这种现象称为“宇宙耦合”（cosmological coupling）。

在此之前科学家关注过的也会发生宇宙耦合的最著名的物质是光线。他们认为随着宇宙的膨胀，光线失去能量。“我们考虑的情况则相反，”这份研究的作者之一夏威夷大学马诺阿分校（University of Hawaii at Manoa）天文学教授法拉（Duncan Farrah）说，“如果黑洞发生宇宙耦合，导致它们不需要吸收来自其它恒星和气体的物质也会增加质量，那么LIGO和Virgo会观测到什么?”

研究人员模拟了数百万对大质量恒星诞生、燃烧、最后死亡的过程，特别关注其中两颗恒星死亡的时候都变成黑洞的情形。从它们死亡的时间点开始，在它们自旋着不断靠近的过程中，让它们的质量也随着宇宙的膨胀一起增加。

模拟结果显示，不仅看到更多合并后大质量的黑洞，也看到更多合并事件的发生。研究人员把来自LIGO和Virgo的观测数据和他们模拟的数据比较，发现它们基本一致。

研究者表示，这个新理论在不改变目前对恒星诞生、成长和死亡认知的情况下，就能对黑洞的质量做出解释。但是他们谨慎地表示，关于黑洞质量的疑惑还有很多，这个理论不能解释所有的问题。

合作研究者美国宇航局（NASA）哈勃望远镜项目研究员泽文（Michael Zevin）说：“我们对于合并的黑洞很多方面的细节都还不了解，比如发生这些事件最主要的条件是哪些、整个合并过程是怎样的。我们用的是一套模拟的恒星群体，与观测到的数据进行对比，其中还有误差的空间。我们认为用宇宙耦合参与解释是一个很好的思路，但是我们现在还无法测量这个耦合的强度。”

研究组认为在未来十年，随着观测仪器的改进，利用新方法分析更多、更高质量的引力波数据，将有办法对黑洞与宇宙耦合度进行测量。