科學(xué)家利用超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)合并后、正在發(fā)射引力波的黑洞進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)而生成的可視化視圖。
根據(jù)宇宙大爆炸理論，自從138億年前大爆炸以來，宇宙就裹挾著數(shù)千億個(gè)星系和恒星一直不斷地膨脹。哈勃常數(shù)，即哈勃定律中河外星系退行速度同距離的比值，是宇宙論體系中天文學(xué)家們描述宇宙膨脹速度的一個(gè)重要概念。
通過把望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)某些恒星和其他宇宙源，天文學(xué)家測(cè)量它們離地球的距離以及它們離我們遠(yuǎn)去的速度——這是估算哈勃常數(shù)至關(guān)重要的兩個(gè)常數(shù)。然而，迄今為止，一系列最為精確的觀測(cè)得出的卻是截然不同的哈勃常數(shù)結(jié)果，也就無法給出宇宙膨脹的確切速度?？茖W(xué)家們?nèi)匀幌嘈?，這些數(shù)據(jù)與信息能揭示宇宙的起源、命運(yùn)以及它是會(huì)無限膨脹還是最終會(huì)崩潰的奧秘。
據(jù)《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）7月12日刊發(fā)的一篇研究論文稱，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）和哈佛大學(xué)（Harvard）的科學(xué)家們提出了一種更精確、更獨(dú)立的方法來測(cè)量哈勃常數(shù)，那就是利用一種相對(duì)罕見的雙星系統(tǒng)——由一個(gè)螺旋狀黑洞和一顆中子星配對(duì)構(gòu)成的高能“黑洞-中子星雙星”系統(tǒng)——所發(fā)射出的引力波。具體來講，當(dāng)這兩個(gè)天體相互靠近并最終相撞時(shí)，它們就會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)宇宙空間的引力波和一道閃光。
研究論文指出，一方面，這道閃光可以幫助科學(xué)家們估算出這個(gè)系統(tǒng)遠(yuǎn)離地球的速度；另一方面，如果在地球上探測(cè)到相應(yīng)的引力波，科學(xué)家就能提供一個(gè)獨(dú)立而精確的該系統(tǒng)與地球距離的測(cè)量結(jié)果。
MIT物理學(xué)助理教授、論文主要作者薩爾瓦托·維塔勒（Salvatore Vitale）表示，盡管“黑洞-中子星雙星”系統(tǒng)是非常罕見的，但研究人員經(jīng)計(jì)算斷定，即使只能探測(cè)到極少數(shù)的該類系統(tǒng)，也足以空前精確地計(jì)算出哈勃常數(shù)以及宇宙膨脹的速率。
美國(guó)的激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）能夠探測(cè)由災(zāi)難性的天體物理現(xiàn)象所引發(fā)的引力波。維塔勒介紹道：“引力波為我們提供了一種非常直接而簡(jiǎn)單的方法來測(cè)量地球與其波源的距離。我們用LIGO檢測(cè)到的是地球與波源之間距離的直接軌跡，無需任何額外的分析計(jì)算?！?/p>
2014年，在LIGO首次探測(cè)到引力波之前，維塔勒的團(tuán)隊(duì)經(jīng)觀察獲知：與中子雙星系統(tǒng)相比，一個(gè)由黑洞和中子星組成的雙星系統(tǒng)能夠提供更為精確的距離測(cè)量結(jié)果。維塔勒解釋，由于黑洞圍繞中子星旋轉(zhuǎn)，這一特點(diǎn)可以幫助科學(xué)家更好地確定引力波是從系統(tǒng)的什么部位發(fā)散出來的。
為了驗(yàn)證這一結(jié)論，研究小組進(jìn)行了模擬運(yùn)算實(shí)驗(yàn)，力圖預(yù)測(cè)這兩種類型的雙星系統(tǒng)在宇宙中出現(xiàn)的幾率，以及它們各自在距離測(cè)量中的準(zhǔn)確性。經(jīng)計(jì)算，他們得出的結(jié)論是，盡管中子雙星系統(tǒng)與“黑洞-中子星雙星”系統(tǒng)的數(shù)量比是50:1，但通過兩者計(jì)算出哈勃常數(shù)的精確度不分仲伯；更樂觀地說，如果“黑洞-中子星雙星”系統(tǒng)稍微更常見一點(diǎn)，即使仍然比中子雙星罕見得多，前者的哈勃常數(shù)將是后者精確度的四倍。
維塔勒展望道：“我們已經(jīng)證明，“黑洞-中子星雙星”螺旋系統(tǒng)的引力波源到目前為止還沒有被充分地利用——LIGO將在2019年1月重新開始收集數(shù)據(jù)，它的性能將更加敏感，這意味著我們將能夠看到更遙遠(yuǎn)的天體。所以，LIGO應(yīng)該能夠觀測(cè)到至少1個(gè)、最多25個(gè)‘黑洞-中子星雙星’，這有望在未來幾年里有助于緩解天文學(xué)界因不同哈勃常數(shù)測(cè)量值帶來的紛爭(zhēng)與壓力?！?/p>
編譯：朱明逸 審稿：西莫 編輯：程建蘭
來源：https://phys.org/news/2018-07-gravitational-reveal-fast-universe.html
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