引力波可以測量宇宙膨脹速度？在科學家最新發現中得到證實

幾十年來，科學家一直無法精確測量哈勃常數這一描述宇宙膨脹速度的值。這個數值的確定將平息天文學家之間醞釀已久的爭論，並讓我們離了解宇宙的進化和命運更進一步。現在，研究人員利用最近對引力波的探測，提出了一種確定哈勃常數的全新方法的概念證明。

到目前為止，天文學家一般採用兩種方法來計算哈勃常數的值。一種方法是使用已知亮度的物體，即標準燭光，例如造父變星。造父變星的光以一定的間隔波動，這個間隔與它發出的亮度有關。天文學家根據恆星的波動率得出其實際亮度，並與地球觀測者看到的亮度進行比較，以此來確定恆星的距離。然後，科學家們測量同一天體的紅移距離——即它們的光向電磁光譜的紅端移動了多遠。當光源遠離觀測者時發生紅移，光源發出的光波會被拉伸，和汽車駛離時喇叭聲逐漸減弱一樣。通過測量一顆遙遠恆星的紅移，天文學家可以計算出它遠離地球的速度。當他們把這些信息和恆星距離結合起來，就得到了哈勃常數的值。

計算宇宙膨脹率的第二種方法依靠宇宙微波背景輻射(CMB)，即宇宙大爆炸遺留下來的滲透到外太空如幽靈一般的輻射。天文學家將普朗克空間望遠鏡接入大爆炸宇宙學的標準模型中，可以精確測量宇宙微波背景輻射的溫度變化，從而推導出哈勃常數。

問題是，從這些方法中得到的哈勃常數值並不一致——宇宙學家將這種差異稱為「張力」(tension)。「根據紅移計算出這個數字大約是73(單位是千米每秒每百萬秒視差));而根據宇宙微波背景輻射估算出的數值接近68。最初大多數研究人員認為這種差異可能是由於測量誤差引起的。但是，雖然經過多年的調查，科學家們仍然找不到一個足夠大的誤差來源來解釋這一差異。

有一個令人興奮的可能性是，這兩種計算方法帶來的數值差異反映了普朗克空間望遠鏡從遠距離觀察到的哈勃常數(即遙遠的早期宇宙)與從近距離用標準燭光法(即附近的近代宇宙)得到的哈勃常數之間的真實差異。當然，科學家們已經知道宇宙的膨脹正在加速(雖然還不知道確切的原因)，並把這個神秘的原因命名為「暗能量」。

但即使考慮到已知的加速度，這種差異也表明暗能量可能發生了某種奇怪的變化，導致兩個哈勃常數差異這麼大。它表明宇宙大爆炸之後宇宙新紀元的膨脹速度(根據宇宙微波背景輻射計算出的)與宇宙學家目前所認為的完全不同。如果暗能量異常不是罪魁禍首，那麼有可能是一些未知的粒子，比如尚未被發現的像中微子一樣的粒子，這種幾乎沒有質量的粒子瀰漫在宇宙中，可能影響了計算。法國CEA Saclay的天體物理學家兼研究工程師Valeria Pettorino雖然沒有參與這項研究，但他說:「這種差異可能會隱藏我們對宇宙一些認識問題的解決方案，這些問題包括宇宙的演化和其能量來源。實際上，這決定了我們宇宙的過去、現在和未來，它是否會永遠膨脹，是否會再次坍縮和反彈等。」

時空的波

現在，利用兩個黑洞合併產生的引力波信號，以及經過有史以來最雄心勃勃的天空觀測之一得到的紅移數據，研究人員找到了一種計算哈勃常數的全新方法。他們在提交給《天體物理學雜誌通訊》(The Astrophysical Journal Letters)並在在1月6日發表在一個網站上的研究報告中描述了這種方法。在該報告中，該常數的值為75.2，儘管存在較大的誤差( 39.5，-32.4，這意味著實際數值可能高達114.7，也可能低至42.8)。這種較大的不確定性反映了計算來自單一測量的事實，因此還不能幫助消除原來兩種計算方法之間的差異。但作為概念證明，這項技術是開創性的。自2017年10月以來，除此之外只有一次嘗試使用引力波來計算哈勃常數。科學家們希望未來的引力波探測將幫助他們提高計算的精度。

引力波是時空結構中的漣漪。愛因斯坦的廣義相對論在1915年預言了引力波的存在，此後天文學家一直在尋找發現它們的方法。不出意料，大質量物體的碰撞會產生大量的引力波。1986年，物理學家伯納德·舒茨(Bernard Schutz)首次提出，這些所謂的雙星系統(可能的引力波探測源)可以用來確定引力波，當時他認為天文台很有可能在不久的將來發現它們;但是事實上，天文台花了將近30年的時間才發現。

位於路易斯安那州和華盛頓州的激光干涉引力波天文台(LIGO)在2015年9月進行了世界上第一次引力波探測，自那以後，它與歐洲的Virgo引力波探測器一起觀測到的引力波還不到12次。這些觀測實驗旨在尋找引力波通過時引起的微小時空變化。

標準塞壬

兩個黑洞合併產生的引力波爆發是計算哈勃常數的新方法之一。同標準燭光沒有什麼不同，雙黑洞系統也會振蕩。當它們彼此旋轉時，發出的引力波頻率會以與系統大小相關的速率發生變化。天文學家由此可得引力波的固有振幅。通過將固有振幅與它們的地面觀測振幅相比較(類似於造父變星的實際亮度與其從地面觀測到的亮度的比較)，它們可以計算出系統的距離。天文學家稱之為「標準塞壬」(standard sirens)。他們測量了這次碰撞的距離，距離地球約540百萬秒差距(秒差距是長度的單位，約等於地球跟太陽的平均距離，百萬秒差距等於一百萬倍的秒差距)，約18億光年。

一個相關的紅移，比如塞壬所在星系的紅移，構成了新方法的第二部分。研究人員使用了來自暗能量調查的紅移數據，該調查剛剛完成了對南部天空部分區域的測繪，其廣度和深度都超過了以往的任何一次調查。紅移數據與距離測量相結合讓研究人員計算出了新的常數數值。

安東內拉·帕爾梅塞(Antonella Palmese)是費米實驗室(Fermilab)的研究助理，也是這項研究的共同作者。她說，這種方法之所以有希望，部分原因在於黑洞的合併相對常見。雖然這仍然只是一個概念證明，她說，隨著更多來自LIGO/VIRGO檢測到的引力波數據，統計數據將會有所改善。牛津大學的天文學家埃莉莎(Elisa Chisari)沒有參與這項研究，但她同意這個觀點。她說：「與其他方法測量到的結果相比，用引力波測量目前還沒有競爭力。但隨著LIGO在未來幾年建立引力波事件的目錄，通過合併多個事件進行測量，這(用引力波測量哈勃常數)將真正成為一種有競爭力的方法。」

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