引力波快速準確地測量宇宙的膨脹 新的LIGO讀數(shù)改善了有爭議的測量

安裝在智利布蘭科望遠鏡上的暗能量相機拍攝到了中子星碰撞后天空中亮點的圖像。烏切卡戈、阿爾貢和費米實驗室的科學家是國際暗能量研究合作的成員。

二十年前，科學家們震驚地意識到，我們的宇宙不僅在膨脹，而且隨著時間的推移，膨脹得越來越快。

繼著名天文學家、宇智高校友埃德溫哈勃之后，確切地說，確定的哈勃常數(shù)非常難以確定。從那以后，科學家們使用了兩種方法來計算這個值，他們吐出了不同的令人沮喪的結果。但是去年，中子星碰撞產(chǎn)生的引力波被意外捕獲，這為計算哈勃常數(shù)提供了第三種方法。

這只是一次碰撞的單個數(shù)據(jù)點，但在10月17日發(fā)表在《自然》雜志上的一篇新論文中，芝加哥大學的三位科學家估計，考慮到研究人員看到第一次中子星碰撞的速度有多快，他們可以在5到10年內(nèi)非常精確地測量哈勃常數(shù)。

“哈勃常數(shù)告訴你宇宙的大小和年齡；宇宙學自誕生以來就是一個圣杯。利用引力波來計算這一點可以讓我們對宇宙有一個新的視角，”該研究的作者丹尼爾霍爾茨(Daniel holz)說，他和烏切卡戈物理學教授共同撰寫了2017年發(fā)現(xiàn)的第一個這樣的計算。"問題是：它什么時候變成了改變宇宙觀的游戲？"

1929年，埃德溫哈勃宣布，根據(jù)他對銀河系外星系的觀察，它們似乎正在遠離我們——離銀河系越遠，它后退得越快。這是大爆炸理論的基石，它開啟了近一個世紀以來對這種情況準確性的探索。

為了計算宇宙的膨脹速度，科學家需要兩個數(shù)字。一是遠處物體的距離；另一個是由于宇宙的膨脹，物體離開我們的速度有多快。如果你能通過望遠鏡看到它，那么第二個數(shù)字相對容易確定，因為當你看到一顆遙遠的恒星時，你看到的光會在它后退時變成紅色。一個多世紀以來，天文學家一直在使用這種技術來觀察物體的運動速度——就像多普勒效應一樣，當警報過去時，警報會改變音調(diào)。

“計算中的主要問題”

但是精確測量距離要困難得多。傳統(tǒng)上，天體物理學家使用一種被稱為宇宙距離階梯的技術，在這種技術中，一些可變恒星和超新星的亮度可以用來建立一系列與所討論的物體相關的比較?；魻柎恼f，“問題是，如果你在表面下抓撓，會有很多步驟和假設。”

也許用作標記的超新星并不像預期的那樣一致。也許我們把某些類型的超新星誤認為其他超新星，或者我們在測量到附近恒星的距離時有一些未知的誤差。“那里有許多復雜的天體物理學，可以在許多方面丟棄讀數(shù)，”他說。

計算哈勃常數(shù)的另一個主要方法是觀察宇宙微波背景——宇宙開始時產(chǎn)生的光脈沖，它仍然是微弱可探測的。雖然它也很有用，但這種方法也取決于對宇宙如何工作的假設。

令人驚訝的是，雖然每次都會計算的科學家對他們的結果都很有信心，但他們并不匹配。有人說宇宙膨脹的速度比另一個快10%?！斑@是目前宇宙學的一個主要問題，”該研究的第一作者陳新宇說，他當時是UChicago的研究生，現(xiàn)在是哈佛大學黑洞項目的研究員。

然后，LIGO探測器在去年兩顆恒星碰撞的時空結構中發(fā)現(xiàn)了他們的第一個漣漪。這不僅震驚了天文臺，也震驚了天文學本身：能夠用望遠鏡感受引力波，看到碰撞產(chǎn)生的光，給科學家?guī)砹藦姶蟮男鹿ぞ??！斑@有點像財富的尷尬，”霍爾茨說。

引力波提供了一種完全不同的方法來計算哈勃常數(shù)。當兩顆巨星相互碰撞時，它們會在時空結構中發(fā)出漣漪，在地球上可以被探測到。通過測量這個信號，科學家可以獲得碰撞恒星的質量和能量特征。當他們將這個讀數(shù)與引力波的強度進行比較時，他們可以推斷出它有多遠。

霍爾茨說，這種測量更清晰，對宇宙的假設更少，這應該會使它更準確。他和麻省理工學院的斯科特休斯一起，在2005年提出了用引力波和望遠鏡讀數(shù)進行測量的想法。唯一的問題是科學家能捕捉這些事件多久，他們的數(shù)據(jù)有多好。

它只會變得更有趣'

該論文預測，一旦科學家檢測到中子星碰撞的25個讀數(shù)，他們將以3%的精度測量宇宙的膨脹。有200個讀數(shù)，這個數(shù)字減少到1%。

“當我們進入模擬時，對我來說是一個驚喜，”陳說?！帮@然，我們可以達到精度，我們可以快速達到目標?！?

科學家們說，不管答案是什么，哈勃常數(shù)的精確新數(shù)字都將令人著迷。例如，其他兩種方法不匹配的一個可能原因是重力本身可能會隨著時間而變化。閱讀也可能揭示暗能量，一種負責宇宙膨脹的神秘力量。

“我們很幸運，因為我們?nèi)ツ昕吹降呐鲎病x我們很近，所以相對容易找到和分析，”UChicago的研究生、該論文的另一位作者Maya Fishbach說。ldq

uo;未來的探測距離會更遠，但是一旦我們得到下一代望遠鏡，我們就應該能夠找到這些遙遠探測器的對應物。”

LIGO探測器計劃于2019年2月開始新的觀測，并由VIRGO的同行加入。由于升級，探測器的靈敏度將更高 - 擴大他們可以拾取的天文事件的數(shù)量和距離。

“這只會從這里變得更有趣，”霍爾茲說。

作者在芝加哥大學研究計算中心進行了計算。