宇宙究竟膨脹得有多快？
自上個(gè)世紀(jì)二十年代埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹以來(lái)，人們都在試圖回答這個(gè)問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題近些年來(lái)也受到了前所未有的關(guān)注，因?yàn)橐恍┨煳膶W(xué)家默默地期待著或許在追尋答案的路途中會(huì)發(fā)現(xiàn)新的物理。
要想知道這個(gè)問(wèn)題的答案，天文學(xué)家需要測(cè)量所謂的哈勃常數(shù)。過(guò)去，測(cè)量哈勃常數(shù)的方法主要有兩種。一種方法常被稱(chēng)為宇宙距離階梯，這是測(cè)量哈勃常數(shù)最標(biāo)準(zhǔn)、最古老的一個(gè)方法，它通過(guò)先對(duì)銀河系中的天體進(jìn)行測(cè)量，接著再測(cè)量鄰近星系中同類(lèi)型的天體的性質(zhì)，來(lái)得出這些天體的距離，構(gòu)建出距離階梯。通過(guò)宇宙膨脹的效應(yīng)在這些天體發(fā)出的光上留下的印記，研究人員就可計(jì)算出膨脹速率。另一種則完全不同，它是通過(guò)分析大爆炸遺留的熱輻射——宇宙微波背景（CMB），推算出宇宙膨脹的速率。
采用第一種方法測(cè)得的哈勃常數(shù)大約為73-74 km/s/Mpc，其不確定性?xún)H為2%左右；而采用第二種方法所測(cè)得的哈勃常數(shù)大約為67 km/s/Mpc，不確性度僅為1%。
12月15日，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Adam Riess領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)提交了一篇新的論文，他們?cè)诶糜钪婢嚯x階梯法對(duì)Gaia衛(wèi)星測(cè)得的新數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后，再次將哈勃常數(shù)的數(shù)值確定為73.2km/s/Mpc，這與他們之前的數(shù)據(jù)一致，但現(xiàn)在的不確定性只有1.8%。這一新結(jié)果表明，差異確實(shí)存在，而其中的原因卻無(wú)人知道。
2015年，科學(xué)家首次探測(cè)到引力波。自那之后，引力波天文學(xué)的崛起為解決許多天文學(xué)難題帶來(lái)了新的可能。通過(guò)研究探測(cè)到的引力波的性質(zhì)，天文學(xué)家可以獲悉產(chǎn)生了引力波的天體的許多性質(zhì)。近年來(lái)，一些研究人員正試圖用引力波來(lái)測(cè)量哈勃常數(shù)。2019年7月，一組天文學(xué)家就利用在2017年探測(cè)到的雙中子星合并，得出了一個(gè)新的哈勃常數(shù)值，
現(xiàn)在，在一項(xiàng)新的研究中，由物理學(xué)家Tim Dietrich等組成的國(guó)際研究小組，通過(guò)分析兩顆中子星相互碰撞形成黑洞時(shí)產(chǎn)生的電磁波和引力波，對(duì)中子星的質(zhì)量和半徑進(jìn)行了新的估算，并推斷出了新的宇宙膨脹的速率。研究結(jié)果被發(fā)表在了12月18日的《科學(xué)》雜志上。
中子星合并事件GW170817的模擬。 | 視頻來(lái)源：Max Planck Institute for Gravitational Physics
這種通過(guò)結(jié)合不同的信號(hào)來(lái)洞察遙遠(yuǎn)的天體物理學(xué)，被稱(chēng)為多信使天文學(xué)。在新研究中，研究人員所采用了來(lái)自于引力波事件GW170817和GW190425的數(shù)據(jù)。在GW170817事件中，天文學(xué)家除了探測(cè)到了由它發(fā)出的引力波信號(hào)之外，還探測(cè)到了它所產(chǎn)生的伽馬射線暴，以及在可見(jiàn)光、紅外光以及紫外光的電磁波信號(hào)；但GW190425事件只產(chǎn)生了引力波信號(hào)，其電磁波信號(hào)尚未被探測(cè)到。
中子星合并事件GW190425的模擬。 | 視頻來(lái)源：Max Planck Institute for Gravitational Physics
通過(guò)結(jié)合這些數(shù)據(jù)，研究人員確定了對(duì)于一顆質(zhì)量為1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量的中子星來(lái)說(shuō)，半徑約為11.75km，不確定性為+0.81km和-0.86km。中子星的大小直接取決于中子星核心處物質(zhì)的行為，因此，這一結(jié)果將有助于科學(xué)家更好地了解中子星的內(nèi)部運(yùn)作機(jī)制。而在使用這些信息計(jì)算宇宙膨脹的速率時(shí)，他們測(cè)得哈勃常數(shù)值基本上與通過(guò)測(cè)量CMB所得的結(jié)果一致，結(jié)果為66.2km/s/Mpc，不確定性約為7%。
雖然新的哈勃常數(shù)結(jié)果的不確定性較大，無(wú)法最終解決分歧，但它為宇宙的膨脹速率問(wèn)題提供了另一個(gè)新的數(shù)據(jù)點(diǎn)。并且，它表明了利用多信使天文學(xué)分析，僅通過(guò)一個(gè)中子星并合事件所產(chǎn)生的電磁波信號(hào)和引力波信號(hào)，就可以將哈勃常數(shù)的不確定性限制在7%左右。如此一來(lái)，利用這種測(cè)量方法，如果再有9個(gè)這樣的中子星并合事件，哈勃常數(shù)的測(cè)量值的不確定性就可被限制在2%以?xún)?nèi)；當(dāng)這樣的時(shí)間40次合并，這一數(shù)值的不確定性便可將至1%。
此外，有趣的是，這次研究結(jié)果是基于一種完全不同的新方法所得出的，按照預(yù)期，它的結(jié)果應(yīng)該更與采用宇宙距離階梯所得的結(jié)果相符，然而結(jié)果卻表明它更傾向于接近采用宇宙微波背景輻射所得的值。
雖然這種新的測(cè)量方法目前還無(wú)法完全解決當(dāng)前存在的緊張局面，但它有可能為解決問(wèn)題帶來(lái)新的思路，并有望在短期之內(nèi)比迄今為止的任何一種方法都更精確地做到這一點(diǎn)。畢竟，引力波天文學(xué)是一個(gè)只有五年歷史的研究領(lǐng)域，因此，可以說(shuō)這已是極為了不起的起步。相信在未來(lái)的幾年，還將會(huì)有更多的驚喜等待著我們。
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