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恒星系等，就像迅速膨脹的面團(tuán)中的葡萄干。天文學(xué)家們已經(jīng)將望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)了某些恒星和其他宇宙源，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(gè)參數(shù)對于估計(jì)哈勃常數(shù)(描述宇宙膨脹速度的測量常數(shù))是至關(guān)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(shù)上，并沒有給出宇宙膨脹速度的確切答案。
博科園-科學(xué)科普：科學(xué)家們相信這些信息可以揭示宇宙的起源，宇宙的命運(yùn)，以及宇宙是否會(huì)無限膨脹或最終崩潰?，F(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)立的方法來測量哈勃常數(shù)，方法是利用一個(gè)相對罕見的系統(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。當(dāng)這些物體相互靠近時(shí)，當(dāng)它們最終相撞時(shí)它們就會(huì)產(chǎn)生空間震動(dòng)的引力波和一束光。發(fā)表在《物理評論快報(bào)》(Physical Review Letters)上的一篇論文中，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)，或者說是它離開地球的速度。
超級計(jì)算機(jī)模擬合并黑洞發(fā)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(yīng)該提供一個(gè)獨(dú)立和精確的測量系統(tǒng)距離。盡管黑洞-中子星是非常罕見的，但研究人員計(jì)算出，對于哈勃常數(shù)和膨脹宇宙的速度來說，即使探測到少數(shù)黑洞-中子星也是最精確的。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：黑洞-中子星雙星是非常復(fù)雜的系統(tǒng)，我們對此知之甚少。如果發(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)槔斫庥钪孀龀鼍薮筘暙I(xiàn)。
競爭常數(shù)
最近對哈勃常數(shù)進(jìn)行了兩項(xiàng)獨(dú)立的測量，一項(xiàng)是利用美國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)鏡的測量是基于對一種稱為造父變星的恒星觀察，以及對超新星的觀察。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)測的，科學(xué)家可以用它們來估計(jì)恒星的距離和速度。另一種估計(jì)是基于對宇宙微波背景波動(dòng)的觀察——大爆炸后不久遺留下來的電磁輻射，當(dāng)時(shí)宇宙還處于初始階段。
雖然這兩個(gè)探測器的觀測非常精確，但它們對哈勃常數(shù)的估計(jì)卻大相徑庭。LIGO或者說激光干涉引力波天文臺(tái)，可以探測到引力波，是由災(zāi)難性的天體物理現(xiàn)象產(chǎn)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(dāng)LIGO和意大利Virgo首次發(fā)現(xiàn)了一對碰撞的中子星時(shí)，科學(xué)家們第一次有機(jī)會(huì)從引力波源估算哈勃常數(shù)。
碰撞釋放出大量的引力波，研究人員通過測量來確定系統(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，以確定系統(tǒng)的速度。通過這兩次測量，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。這種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)特定系統(tǒng)發(fā)出的引力波來解釋中子星與地球距離是很有挑戰(zhàn)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(shù)據(jù)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?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，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的中心發(fā)射出去，而一小部分則從邊緣逃逸出來。如果科學(xué)家探測到一個(gè)“響亮”的引力波信號(hào)，它可以表明兩種情況之一：探測到的波來自于一個(gè)非常靠近地球系統(tǒng)邊緣，或者是來自于一個(gè)更遠(yuǎn)系統(tǒng)中心的波。對于中子星雙星，很難區(qū)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(tǒng)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(zhuǎn)，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(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。這是由于中子星周圍的黑洞在旋轉(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。
“因?yàn)橛辛烁玫木嚯x測量，黑洞-中子星雙星可能是測量哈勃常數(shù)的競爭探針，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。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(gè)理論問題：每一個(gè)黑洞-中子星都會(huì)給一個(gè)更好的距離來彌補(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。為了回答這個(gè)問題，研究小組進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，以預(yù)測這兩種類型的雙星系統(tǒng)在宇宙中的出現(xiàn)，以及它們的距離測量的準(zhǔn)確性。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(chǎn)生比哈勃常數(shù)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(shù)的方法，已經(jīng)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(yùn)行。LIGO將在2019年1月重新開始收集數(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，LIGO應(yīng)該至少看到一個(gè)黑洞-中子星，這將有助于解決測量哈勃常數(shù)。
博科園-科學(xué)科普｜參考期刊：物理評論快報(bào)，arXiv｜來自： 麻省理工學(xué)院
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