透鏡化引力波電磁波宇宙學

海歸學者發起的公益學術平台

分享信息，整合資源

交流學術，偶爾風月

引力波，緻密星，電磁對應體，宇宙學， 檢驗愛因斯坦引力理論......年輕學者們已經展示了非常多迷人的風景。是不是有人想，這麼多風景，我沒時間一一逛咋辦？今天滿足大家，來個綜合風景！

特別聲明：本系列科普文章都是相關學者基於他們將要申請、正在執行、或者已經結題的國家自然科學基金委支持的《國家自然科學基金項目》發展出來的，版權歸作者所有。

宇宙學正在經歷一個快速發展的階段，目前為止，所有的觀測都是局限在電磁波窗口。人們通過對Ia型超新星，宇宙微波背景等的觀測，對宇宙的形成與演化都有了很深刻的認識。然而，通過這兩者得到的當前宇宙膨脹率即哈勃常數H0存在一個明顯的矛盾（測定哈勃常數:引力波對其貢獻能有多大？｜引力波天文學之四）。這是否預示著我們的宇宙學模型需要改寫？亦或是宇宙中存在新的物質組分如新的中微子？為了檢查這個矛盾並且回答這樣的問題，我們急需一種新的獨立的直接測量H0的手段，並且要求這個手段測量精度能達到1%。

不久前廣義相對論預言的引力波被aLIGO探測到了，信號源是兩個大質量黑洞併合事件。這將開啟一扇探索宇宙的新窗口。理論上，一般認為利用引力波研究宇宙學的方法是由Bernard F. Schutz在1986年提出，通過觀測雙星系統引力波波形來直接測量光度距離，也稱「標準汽笛」方法。如果我們能夠同時探測到引力波的電磁對應體如千新星，合併超新星，短伽馬暴，快速射電暴或者他們的法寄主等，我們便可以測出紅移，繼而得到距離-紅移關係來研究宇宙學。然而，這個方法對於波形的依賴性限制了該方法的威力。 對於aLIGO，由於波形振幅大小測量的不確定性導致的誤差為10%以內。 另外，引力波探測器的空間定位能力非常差 （>10個平方度），電磁對應體及寄主星系的認證十分困難 （諾獎後的下輪豪賭: 尋覓LIGO引力波源的電磁對應體? 引力波天文學之一）。

下一代引力波探測器如愛因斯坦望遠鏡將大大提高我們觀測宇宙的深度，我們將每年探測至少幾萬個引力波信號。其中難免會有少數信號與前景的星系重合，導致強引力透鏡事件的發生。根據理論計算，每年大約50-100個強引力透鏡事件會被觀測到。

強引力透鏡效應在電磁波窗口已經被大量觀測到了，典型的情況是遙遠的類星體與前景的橢圓星系成一條直線，由於光在星系引力場中的速度會變小，類似於幾何光學中的折射率效應，考慮費馬原理所說的光走極值路徑，在某些情況下會出現多像現象。這些多像到達地球的時間是不一樣的，時間差為：

?t = D * ?U

其中D是「時間延遲距離」，它由三個角直徑距離比組合而成，與哈勃常數成反比，代表了宇宙的幾何。?U是費馬勢差，由像的位置，透鏡體的質量分布等決定。給定紅移，我們通過?t，?U的觀測來確定D，從而測量H0。傳統光學利用比對多像的光變曲線來測量?t，誤差大約為3%。通過測量橢圓星系中心彌散速度和寄主星系光弧來測量?U，誤差也是3%左右。

圖例：宇宙距離上強透鏡化的引力波及其電磁對應體信號被地球上的引力波及其光學望遠鏡觀測到。

我們提出研究宇宙學的新天體物理系統：透鏡化的引力波及其電磁對應體。它是一個多信使系統，即我們既能觀測透鏡化引力波的多個信號，同時也可以看到其電磁對應體的多像。這樣的系統觀測認證將是一個交叉確認的過程。例如，我們探測到了兩個從大致方位傳來的引力波信號，如果它們僅僅是強度和時間延遲有差異，但是波形幾乎是完全一樣的，我們可以認為它們是被透鏡化的引力波源的兩個「像」。另一方面，如果我們在大致方向上測到了電磁波段的多像，並且它們的時間延遲和引力波時間延遲一致，我們有理由認為它們就是引力波的電磁對應體。這個方法中由於時間延遲是兩種信號的共同屬性，它將有利於電磁對應體的認證。

這個系統將在兩方面提高引力透鏡時間延遲宇宙學的精度。首先，時間延遲由引力波信號測量，對於地面引力波探測器，引力波信號時間精度測量可以遠遠小於0.1s，遠遠小於時間延遲特徵時間（幾十天），因此引力波到達時間測量幾乎是沒有誤差的，時間延遲得以超高精度測量。另一方面，不同於類星體中的活動星系核（AGN），引力波的電磁對應體通常持續時間不長都在幾個月以內。我們可以在它發生之前或之後測量寄主星系的光弧，這樣測量的光弧是非常完整的。而類星體由於中間明亮的AGN的存在，難以完整準確測量光弧。而光弧的精確測量是?U精確測量的重要一環。

結合上述關係，正是由於時間延遲，費馬勢差兩方面觀測的提高，透鏡化的引力波及其電磁對應體能夠更加精確的得到時間延遲距離，從而精確測量哈勃常數。我們在考慮了引力波源分布和探測器觀測能力的情況下通過詳細地模擬愛因斯坦望遠鏡數據來定量估計此方法對哈勃常數的限制能力。我們證明了，僅僅這樣能夠將哈勃常數測量精度控制在0.7%左右。我們期待在第三代探測器到來的時候，我們能夠探測到這樣的多信使系統並且運用到宇宙學研究中。

除了本項工作，另一項利用透鏡化的引力波及其電磁對應體測量引力波速度的檢驗廣義相對論引力理論的工作發表在PRL上（引力波速度測量新方法）。更廣泛的檢驗廣義相對論的講解見本系列文章五、六（早安，愛因斯坦先生！ 引力波天文學之五，弱等效原理的多信使檢驗｜引力波天文學之六）。

作者介紹

廖愷，武漢理工大學副教授，博士畢業於北京師範大學，中國引力與相對論天體物理學會會員。2013-2015先後在美國UCSB，UCLA大學作訪問學者。從事宇宙學，引力透鏡，引力波等領域研究。

丁旭恆，武漢大學博士後，博士畢業於北京師範大學，中國引力與相對論天體物理學會會員。 2015年至今於美國UCLA大學做訪問學者，從事強引力透鏡，引力波以及星系演化的研究工作。

另請關注今日頭條：

更多源，更有趣 引力波天文學之七

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！

本站內容充實豐富，博大精深，小編精選每日熱門資訊，隨時更新，點擊「搶先收到最新資訊」瀏覽吧！

請您繼續閱讀更多來自 知社學術圈 的精彩文章: