引力波能揭示宇宙的膨脹速度嗎？

自從138億年前宇宙爆炸形成以來，宇宙就一直在膨脹，連同它一起的還有星系和恆星系等，就像迅速膨脹的麵糰中的葡萄乾。天文學家們已經將望遠鏡對準了某些恆星和其他宇宙源，以測量它們與地球的距離以及它們離我們的距離有多快——這兩個參數對於估計哈勃常數(描述宇宙膨脹速度的測量常數)是至關重要的。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上，並沒有給出宇宙膨脹速度的確切答案。

博科園-科學科普：科學家們相信這些信息可以揭示宇宙的起源，宇宙的命運，以及宇宙是否會無限膨脹或最終崩潰。現在，麻省理工學院和哈佛大學的科學家們提出了一種更精確、更獨立的方法來測量哈勃常數，方法是利用一個相對罕見的系統所發射的引力波：一個黑洞-中子星雙星，一個螺旋狀黑洞和一顆中子星的高能配對。當這些物體相互靠近時，當它們最終相撞時它們就會產生空間震動的引力波和一束光。發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上的一篇論文中，閃光可以給科學家們一個關於這個系統的速度的估計，或者說是它離開地球的速度。

超級計算機模擬合併黑洞發射引力波的可視化圖。圖片：NASA/C. Henze

如果在地球上探測到的引力波，應該提供一個獨立和精確的測量系統距離。儘管黑洞-中子星是非常罕見的，但研究人員計算出，對於哈勃常數和膨脹宇宙的速度來說，即使探測到少數黑洞-中子星也是最精確的。麻省理工學院(MIT)物理學助理教授、論文主要作者薩爾瓦托維塔勒(Salvatore Vitale)說：黑洞-中子星雙星是非常複雜的系統，我們對此知之甚少。如果發現了其中的一個，那麼我們的獎品就是它們能夠為理解宇宙做出巨大貢獻。

競爭常數

最近對哈勃常數進行了兩項獨立的測量，一項是利用美國宇航局的哈勃太空望遠鏡，另一項是利用歐洲航天局的普朗克衛星。哈勃太空望遠鏡的測量是基於對一種稱為造父變星的恆星觀察，以及對超新星的觀察。這兩種天體都被認為是「標準燭光」，因為它們的亮度是可以預測的，科學家可以用它們來估計恆星的距離和速度。另一種估計是基於對宇宙微波背景波動的觀察——大爆炸後不久遺留下來的電磁輻射，當時宇宙還處於初始階段。雖然這兩個探測器的觀測非常精確，但它們對哈勃常數的估計卻大相徑庭。LIGO或者說激光干涉引力波天文台，可以探測到引力波，是由災難性的天體物理現象產生。

引力波提供了一種非常直接和簡單的方法來測量它們的源的距離，用LIGO檢測到的是與源的距離的直接印記，沒有任何額外的分析。2017年當LIGO和義大利Virgo首次發現了一對碰撞的中子星時，科學家們第一次有機會從引力波源估算哈勃常數。碰撞釋放出大量的引力波，研究人員通過測量來確定系統與地球的距離。這次合併也釋放了一束光，天文學家們用地面和太空望遠鏡觀測，以確定系統的速度。通過這兩次測量，科學家計算出了哈勃常數的一個新值。然而這一估計的不確定性相對較大，為14%，比哈勃太空望遠鏡和普朗克衛星計算的不確定性大得多。

這種不確定性很大程度上源於這樣一個事實，即利用這個特定系統發出的引力波來解釋中子星與地球距離是很有挑戰性的。通過觀察引力波有多「響亮」來測量距離，這意味著它在我們的數據中有多清晰，如果非常清晰，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。這是因為，當兩顆中子星螺旋向彼此靠近時，這些系統產生了一個旋轉的能量盤，它們以不均勻的方式發射引力波。大部分引力波直接從圓盤的中心發射出去，而一小部分則從邊緣逃逸出來。如果科學家探測到一個「響亮」的引力波信號，它可以表明兩種情況之一：探測到的波來自於一個非常靠近地球系統邊緣，或者是來自於一個更遠系統中心的波。對於中子星雙星，很難區分這兩種情況。

2014年在LIGO首次探測引力波之前，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雙星系統可以提供更精確的距離測量。該研究小組正在研究，考慮到已知的黑洞在其軸線上旋轉，與地球類似，但速度快得多，人們能以多精確的速度測量黑洞旋轉。研究人員模擬了各種有黑洞的系統，包括黑洞、中子星和中子星。作為這一努力的副產品，研究小組注意到，與中子星雙星相比，他們能夠更準確地確定黑洞-中子星雙星的距離。這是由於中子星周圍的黑洞在旋轉，這可以幫助科學家更好地確定引力波從系統的什麼地方散發出來。

「因為有了更好的距離測量，黑洞-中子星雙星可能是測量哈勃常數的競爭探針，從那時起，LIGO和引力波的發現發生了很多變化，所有這些都被擱置了。最近維塔勒回到了他最初的觀察，在這篇新論文中，開始回答一個理論問題：每一個黑洞-中子星都會給一個更好的距離來彌補這個事實嗎？宇宙中黑洞-中子星的雙星比中子星要少得多。為了回答這個問題，研究小組進行了模擬實驗，以預測這兩種類型的雙星系統在宇宙中的出現，以及它們的距離測量的準確性。即使中子雙星系統的數量比黑洞-中子星系統多50-1倍，後者也會產生與前者相似的哈勃常數。

更樂觀地說，如果黑洞-中子星雙星稍微更常見，但仍然比中子星雙星更罕見，前者將產生比哈勃常數精確四倍。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量哈勃常數的方法，已經證明還有另外一種引力波源，到目前為止還沒有被充分利用：黑洞和中子星一起螺旋運行。LIGO將在2019年1月重新開始收集數據，它將更加敏感，這意味著我們將能夠看到更遠的物體，LIGO應該至少看到一個黑洞-中子星，這將有助於解決測量哈勃常數。

博科園-科學科普｜參考期刊：物理評論快報，arXiv｜來自： 麻省理工學院

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