自從138億年前宇宙第一次爆炸形成以來(lái)，宇宙就一直在膨脹，連同它一起的還有數(shù)千億個(gè)星系和恒星，就像迅速膨脹的面團(tuán)中的葡萄干。
指出望遠(yuǎn)鏡,天文學(xué)家們對(duì)某些恒星和其他宇宙來(lái)源來(lái)衡量距離地球的距離和速度他們遠(yuǎn)離我們,兩個(gè)參數(shù)估計(jì)哈勃常數(shù)是必不可少的,一個(gè)計(jì)量單位來(lái)描述宇宙膨脹的速度。
但迄今為止，最精確的研究都是建立在非常不同的哈勃常數(shù)上，并沒(méi)有給出宇宙增長(zhǎng)速度的確切答案?？茖W(xué)家們相信，這些信息可以揭示宇宙的起源，以及它的命運(yùn)，以及宇宙是否會(huì)無(wú)限膨脹或最終崩潰。
現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)的科學(xué)家們提出了一種更精確、更獨(dú)立的方法來(lái)測(cè)量哈勃常數(shù)，方法是利用一個(gè)相對(duì)罕見(jiàn)的系統(tǒng)所發(fā)射的引力波:一個(gè)黑洞-中子星雙星，一個(gè)螺旋狀黑洞和一顆中子星的高能配對(duì)。當(dāng)這些物體相互靠近時(shí)，它們就會(huì)產(chǎn)生空間震動(dòng)的引力波和一束光，當(dāng)它們最終相撞時(shí)。
在7月12日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上的一篇論文中，研究人員報(bào)告說(shuō)，閃光可以給科學(xué)家們一個(gè)關(guān)于這個(gè)系統(tǒng)的速度的估計(jì)，或者說(shuō)是它離開(kāi)地球的速度。如果在地球上探測(cè)到的引力波，應(yīng)該提供一個(gè)獨(dú)立和精確的測(cè)量系統(tǒng)的距離。盡管黑洞-中子星是非常罕見(jiàn)的，但研究人員計(jì)算出，對(duì)于哈勃常數(shù)和膨脹宇宙的速度來(lái)說(shuō)，即使探測(cè)到少數(shù)黑洞-中子星也是最精確的。
“黑洞-中子星雙星是非常復(fù)雜的系統(tǒng)，我們對(duì)此知之甚少，”麻省理工學(xué)院(MIT)物理學(xué)助理教授、論文主要作者薩爾瓦托?維塔勒(Salvatore Vitale)說(shuō)?！叭绻覀儼l(fā)現(xiàn)了其中的一個(gè)，那么我們的獎(jiǎng)品就是它們能夠?yàn)槲覀兝斫庥钪孀龀鼍薮蟮呢暙I(xiàn)?！?/p>
Vitale的合著者是哈佛大學(xué)的陳新宇。
競(jìng)爭(zhēng)的常量
最近對(duì)哈勃常數(shù)進(jìn)行了兩項(xiàng)獨(dú)立的測(cè)量，一項(xiàng)是利用美國(guó)宇航局的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，另一項(xiàng)是利用歐洲航天局的普朗克衛(wèi)星。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的測(cè)量是基于對(duì)一種稱為造父變星的恒星的觀察，以及對(duì)超新星的觀察。這兩種天體都被認(rèn)為是“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，因?yàn)樗鼈兊牧炼仁强梢灶A(yù)測(cè)的，科學(xué)家可以用它們來(lái)估計(jì)恒星的距離和速度。
另一種估計(jì)是基于對(duì)宇宙微波背景波動(dòng)的觀察——大爆炸后不久遺留下來(lái)的電磁輻射，當(dāng)時(shí)宇宙還處于初始階段。雖然這兩個(gè)探測(cè)器的觀測(cè)非常精確，但它們對(duì)哈勃常數(shù)的估計(jì)卻大相徑庭。
“這就是LIGO加入游戲的原因，”Vitale說(shuō)。
激光干涉引力波天文臺(tái)探測(cè)引力波——由災(zāi)難性的天體物理現(xiàn)象產(chǎn)生的時(shí)空果凍中的漣漪。
“引力波提供了一種非常直接和簡(jiǎn)單的方法來(lái)測(cè)量它們的源的距離，”Vitale說(shuō)。“我們用LIGO檢測(cè)到的是與源的距離的直接印記，沒(méi)有任何額外的分析?！?/p>
2017年，當(dāng)LIGO和它的意大利對(duì)手Virgo首次發(fā)現(xiàn)了一對(duì)碰撞的中子星時(shí)，科學(xué)家們第一次有機(jī)會(huì)從重力波源估算哈勃常數(shù)。碰撞釋放出大量的引力波，研究人員通過(guò)測(cè)量來(lái)確定系統(tǒng)與地球的距離。這次合并也釋放了一束光，天文學(xué)家們用地面和太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，以確定系統(tǒng)的速度。
通過(guò)這兩次測(cè)量，科學(xué)家計(jì)算出了哈勃常數(shù)的一個(gè)新值。然而，這一估計(jì)的不確定性相對(duì)較大，為14%，比哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和普朗克衛(wèi)星計(jì)算的不確定性大得多。
維塔萊說(shuō)，不確定性很大程度上源于這樣一個(gè)事實(shí)，即利用這個(gè)特殊系統(tǒng)發(fā)出的引力波來(lái)解釋中子星與地球的距離是具有挑戰(zhàn)性的。
“我們通過(guò)觀察引力波有多“響亮”來(lái)測(cè)量距離，這意味著它在我們的數(shù)據(jù)中有多清晰，”Vitale說(shuō)?！叭绻浅Ｇ逦?，你可以看到它的聲音有多響亮，這就給出了距離。”但這只是中子星雙星的一部分。
這是因?yàn)?，?dāng)兩顆中子星螺旋向彼此靠近時(shí)，這些系統(tǒng)產(chǎn)生了一個(gè)旋轉(zhuǎn)的能量盤(pán)，它們以不均勻的方式發(fā)射引力波。大部分引力波直接從圓盤(pán)的中心發(fā)射出去，而一小部分則從邊緣逃逸出來(lái)。如果科學(xué)家探測(cè)到一個(gè)“響亮”的引力波信號(hào)，它可以表明兩種情況之一:探測(cè)到的波來(lái)自于一個(gè)非常靠近地球的系統(tǒng)的邊緣，或者是來(lái)自于一個(gè)更遠(yuǎn)的系統(tǒng)中心的波。
“對(duì)于中子星雙星，很難區(qū)分這兩種情況，”維塔勒說(shuō)。
新一波
2014年，在LIGO首次探測(cè)引力波之前，Vitale和他的同事觀察到，與中子星相比，由黑洞和中子星組成的二元系統(tǒng)可以提供更精確的距離測(cè)量。該研究小組正在研究，考慮到已知的黑洞在其軸線上旋轉(zhuǎn)，與地球類(lèi)似，但速度快得多，人們能以多精確的速度測(cè)量黑洞的旋轉(zhuǎn)。
研究人員模擬了各種有黑洞的系統(tǒng)，包括黑洞、中子星和中子星。作為這一努力的副產(chǎn)品，研究小組注意到，與中子星雙星相比，他們能夠更準(zhǔn)確地確定黑洞-中子星雙星的距離。維塔萊說(shuō)，這是由于中子星周?chē)暮诙丛谛D(zhuǎn)，這可以幫助科學(xué)家更好地確定引力波從系統(tǒng)的什么地方散發(fā)出來(lái)。
“因?yàn)橛辛烁玫木嚯x測(cè)量，我認(rèn)為黑洞-中子星雙星可能是測(cè)量哈勃常數(shù)的競(jìng)爭(zhēng)探針，”維塔勒說(shuō)。“從那時(shí)起，LIGO和引力波的發(fā)現(xiàn)發(fā)生了很多變化，所有這些都被擱置了?！?/p>
最近，維塔勒回到了他最初的觀察，在這篇新論文中，他開(kāi)始回答一個(gè)理論問(wèn)題:
“每一個(gè)黑洞-中子星都會(huì)給我一個(gè)更好的距離來(lái)彌補(bǔ)這個(gè)事實(shí)嗎?宇宙中黑洞-中子星的雙星比中子星要少得多?！本S托說(shuō)。
為了回答這個(gè)問(wèn)題，研究小組進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，以預(yù)測(cè)這兩種類(lèi)型的雙星系統(tǒng)在宇宙中的出現(xiàn)，以及它們的距離測(cè)量的準(zhǔn)確性。根據(jù)他們的計(jì)算，他們得出的結(jié)論是，即使中子雙星系統(tǒng)的數(shù)量比黑洞-中子星系統(tǒng)多50-1倍，后者也會(huì)產(chǎn)生與前者相似的哈勃常數(shù)。
更樂(lè)觀地說(shuō)，如果黑色的空穴-中子星雙星稍微更常見(jiàn)，但仍然比中子星雙星更罕見(jiàn)，前者將產(chǎn)生比哈勃常數(shù)精確四倍的哈勃常數(shù)。
“到目前為止，人們把注意力集中在雙星上，把它作為一種用引力波測(cè)量哈勃常數(shù)的方法，”維塔勒說(shuō)?！拔覀円呀?jīng)證明，還有另外一種引力波源，到目前為止還沒(méi)有被充分利用:黑洞和中子星一起螺旋運(yùn)行，”Vitale說(shuō)。“LIGO將在2019年1月重新開(kāi)始收集數(shù)據(jù)，它將更加敏感，這意味著我們將能夠看到更遠(yuǎn)的物體。”所以LIGO應(yīng)該至少看到一個(gè)黑色的黑洞-中子星，和多達(dá)25個(gè)，這將有助于解決測(cè)量哈勃常數(shù)時(shí)存在的壓力，希望在未來(lái)的幾年里。
