引力波快速準(zhǔn)確地測(cè)量宇宙的膨脹 新的LIGO讀數(shù)改善了有爭(zhēng)議的測(cè)量

安裝在智利布蘭科望遠(yuǎn)鏡上的暗能量相機(jī)拍攝到了中子星碰撞后天空中亮點(diǎn)的圖像。烏切卡戈、阿爾貢和費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家是國(guó)際暗能量研究合作的成員。

二十年前，科學(xué)家們震驚地意識(shí)到，我們的宇宙不僅在膨脹，而且隨著時(shí)間的推移，膨脹得越來(lái)越快。

繼著名天文學(xué)家、宇智高校友埃德溫哈勃之后，確切地說(shuō)，確定的哈勃常數(shù)非常難以確定。從那以后，科學(xué)家們使用了兩種方法來(lái)計(jì)算這個(gè)值，他們吐出了不同的令人沮喪的結(jié)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(jì)算哈勃常數(shù)提供了第三種方法。

這只是一次碰撞的單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，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(xué)的三位科學(xué)家估計(jì)，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(cè)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(xué)自誕生以來(lái)就是一個(gè)圣杯。利用引力波來(lái)計(jì)算這一點(diǎn)可以讓我們對(duì)宇宙有一個(gè)新的視角，”該研究的作者丹尼爾霍爾茨(Daniel holz)說(shuō)，他和烏切卡戈物理學(xué)教授共同撰寫了2017年發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)這樣的計(jì)算。"問(wèn)題是：它什么時(shí)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(duì)銀河系外星系的觀察，它們似乎正在遠(yuǎn)離我們——離銀河系越遠(yuǎn)，它后退得越快。這是大爆炸理論的基石，它開(kāi)啟了近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)對(duì)這種情況準(zhǔn)確性的探索。

為了計(jì)算宇宙的膨脹速度，科學(xué)家需要兩個(gè)數(shù)字。一是遠(yuǎn)處物體的距離；另一個(gè)是由于宇宙的膨脹，物體離開(kāi)我們的速度有多快。如果你能通過(guò)望遠(yuǎn)鏡看到它，那么第二個(gè)數(shù)字相對(duì)容易確定，因?yàn)楫?dāng)你看到一顆遙遠(yuǎn)的恒星時(shí)，你看到的光會(huì)在它后退時(shí)變成紅色。一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，天文學(xué)家一直在使用這種技術(shù)來(lái)觀察物體的運(yùn)動(dòng)速度——就像多普勒效應(yīng)一樣，當(dāng)警報(bào)過(guò)去時(shí)，警報(bào)會(huì)改變音調(diào)。

“計(jì)算中的主要問(wèn)題”

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

也許用作標(biāo)記的超新星并不像預(yù)期的那樣一致。也許我們把某些類型的超新星誤認(rèn)為其他超新星，或者我們?cè)跍y(cè)量到附近恒星的距離時(shí)有一些未知的誤差?！澳抢镉性S多復(fù)雜的天體物理學(xué)，可以在許多方面丟棄讀數(shù)，”他說(shuō)。

計(jì)算哈勃常數(shù)的另一個(gè)主要方法是觀察宇宙微波背景——宇宙開(kāi)始時(shí)產(chǎn)生的光脈沖，它仍然是微弱可探測(cè)的。雖然它也很有用，但這種方法也取決于對(duì)宇宙如何工作的假設(shè)。

令人驚訝的是，雖然每次都會(huì)計(jì)算的科學(xué)家對(duì)他們的結(jié)果都很有信心，但他們并不匹配。有人說(shuō)宇宙膨脹的速度比另一個(gè)快10%?！斑@是目前宇宙學(xué)的一個(gè)主要問(wèn)題，”該研究的第一作者陳新宇說(shuō)，他當(dāng)時(shí)是UChicago的研究生，現(xiàn)在是哈佛大學(xué)黑洞項(xiàng)目的研究員。

然后，LIGO探測(cè)器在去年兩顆恒星碰撞的時(shí)空結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了他們的第一個(gè)漣漪。這不僅震驚了天文臺(tái)，也震驚了天文學(xué)本身：能夠用望遠(yuǎn)鏡感受引力波，看到碰撞產(chǎn)生的光，給科學(xué)家?guī)?lái)了強(qiáng)大的新工具。“這有點(diǎn)像財(cái)富的尷尬，”霍爾茨說(shuō)。

引力波提供了一種完全不同的方法來(lái)計(jì)算哈勃常數(shù)。當(dāng)兩顆巨星相互碰撞時(shí)，它們會(huì)在時(shí)空結(jié)構(gòu)中發(fā)出漣漪，在地球上可以被探測(cè)到。通過(guò)測(cè)量這個(gè)信號(hào)，科學(xué)家可以獲得碰撞恒星的質(zhì)量和能量特征。當(dāng)他們將這個(gè)讀數(shù)與引力波的強(qiáng)度進(jìn)行比較時(shí)，他們可以推斷出它有多遠(yuǎn)。

霍爾茨說(shuō)，這種測(cè)量更清晰，對(duì)宇宙的假設(shè)更少，這應(yīng)該會(huì)使它更準(zhǔn)確。他和麻省理工學(xué)院的斯科特休斯一起，在2005年提出了用引力波和望遠(yuǎn)鏡讀數(shù)進(jìn)行測(cè)量的想法。唯一的問(wèn)題是科學(xué)家能捕捉這些事件多久，他們的數(shù)據(jù)有多好。

它只會(huì)變得更有趣'

該論文預(yù)測(cè)，一旦科學(xué)家檢測(cè)到中子星碰撞的25個(gè)讀數(shù)，他們將以3%的精度測(cè)量宇宙的膨脹。有200個(gè)讀數(shù)，這個(gè)數(shù)字減少到1%。

“當(dāng)我們進(jìn)入模擬時(shí)，對(duì)我來(lái)說(shuō)是一個(gè)驚喜，”陳說(shuō)?！帮@然，我們可以達(dá)到精度，我們可以快速達(dá)到目標(biāo)?！?

科學(xué)家們說(shuō)，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(gè)可能原因是重力本身可能會(huì)隨著時(shí)間而變化。閱讀也可能揭示暗能量，一種負(fù)責(zé)宇宙膨脹的神秘力量。

“我們很幸運(yùn)，因?yàn)槲覀內(nèi)ツ昕吹降呐鲎病x我們很近，所以相對(duì)容易找到和分析，”UChicago的研究生、該論文的另一位作者M(jìn)aya Fishbach說(shuō)。ldq

uo;未來(lái)的探測(cè)距離會(huì)更遠(yuǎn)，但是一旦我們得到下一代望遠(yuǎn)鏡，我們就應(yīng)該能夠找到這些遙遠(yuǎn)探測(cè)器的對(duì)應(yīng)物。”

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

“這只會(huì)從這里變得更有趣，”霍爾茲說(shuō)。

作者在芝加哥大學(xué)研究計(jì)算中心進(jìn)行了計(jì)算。