过去6年，引力波观测站一直在探测黑洞合并事件，验证了阿尔伯特·爱因斯坦引力理论的主要预测。但存在一个问题——许多这些黑洞比预期的大得多。现在，夏威夷大学马诺阿分校、芝加哥大学和密歇根大学安娜堡分校的研究团队提出了一种新颖的解决方案：黑洞随着宇宙的扩张而增长。自2015年激光干涉引力波天文台（LIGO）首次观测到合并黑洞以来，天文学家对其大质量已多次感到惊讶。
虽然它们不发光，但通过其发射的引力波可以观测到黑洞合并——时空结构中的涟漪，这是爱因斯坦广义相对论的预测。物理学家原本预计黑洞的质量不会超过太阳的40倍，因为合并黑洞源于大质量恒星，如果它们变得太大，就无法维持自身。然而，LIGO和Virgo观测站发现许多黑洞的质量超过50个太阳，有些甚至达到100个太阳的质量。
尽管提出了许多形成这种大质量黑洞的场景，但没有一个场景能解释迄今观测到的黑洞合并的多样性，也没有就哪些形成场景的组合是物理上可行的达成一致。这项新研究发表在《天体物理学杂志快报》上，首次表明大质量和小质量黑洞都可以通过一个途径形成，即黑洞从宇宙本身的扩张中获得质量。天文学家通常在不能扩张的宇宙模型中模拟黑洞。
“这是一个简化爱因斯坦方程的假设，因为不增长的宇宙需要追踪的东西少得多，”夏威夷大学马诺阿分校物理与天文学系教授凯文·克罗克说。“但这有一个权衡：预测可能只在有限的时间内合理。”由于LIGO——Virgo可探测的单个事件仅持续几秒钟，因此在分析任何单个事件时，这种简化是合理的。但这些合并事件的形成可能需要数十亿年。在形成一对黑洞和它们最终合并的时间之间，宇宙显著增长。
如果仔细考虑爱因斯坦理论的更微妙方面，那么一个惊人的可能性就会出现：黑洞的质量可能与宇宙同步增长，克罗克及其团队称之为宇宙耦合的现象。最著名的宇宙耦合物质例子是光本身，随着宇宙的增长，它失去了能量。“我们考虑了相反的效果，”研究合著者、夏威夷大学马诺阿分校物理与天文学教授邓肯·法拉说。“如果黑洞是宇宙耦合的，并且不需要消耗其他恒星或气体就能获得能量，LIGO——Virgo会观察到什么？
”为了调查这一假设，研究人员模拟了数百万对大质量恒星的诞生、生命和死亡。任何两颗恒星都死亡形成黑洞的对都被链接到宇宙的大小，从它们死亡的时间开始。随着宇宙继续增长，这些黑洞的质量在它们螺旋靠近时增长。结果不仅是合并时更高质量的黑洞，而且合并事件也更多。当研究人员将LIGO——Virgo数据与他们的预测进行比较时，他们相当一致。
“我不得不说，一开始我不知道该怎么想，”研究合著者、密歇根大学教授格雷戈里·塔尔说。“这是一个如此简单的想法，我很惊讶它效果这么好。”根据研究人员的说法，这个新模型之所以重要，是因为它不需要改变我们对恒星形成、演化或死亡的当前理解。新模型与我们当前数据的一致性来自于简单地承认现实中的黑洞不存在于静态宇宙中。然而，研究人员谨慎地强调，LIGO——Virgo的大质量黑洞之谜远未解决。
“合并黑洞的许多方面尚不为人知，例如主导的形成环境和贯穿其一生的复杂物理过程，”研究合著者和NASA哈勃研究员迈克尔·泽文博士说。“虽然我们使用了一个反映我们当前数据的模拟恒星群体，但有很多余地。我们可以看到宇宙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。
”研究合著者和夏威夷大学马诺阿分校物理与天文学教授柯蒂斯·西本表示，他对未来测试这一新想法持乐观态度，“随着引力波观测站在未来十年继续提高灵敏度，数据的数量和质量的增加将启用新的分析技术。这很快就会被测量。”