哈勃常數之謎：引力波揭示宇宙膨脹速度？

知識 07-16

點擊「國家空間科學中心」可以訂閱哦！

138億年前的大爆炸孕育了宇宙。宇宙的具體膨脹速度？這個問題一直未找到決定性答案。一些科學家將希望寄托在引力波身上，試圖通過觀測引力波揭示宇宙的膨脹速度。

大爆炸藝術概念圖

宇宙膨脹是天文研究的一大焦點。天文學家將望遠鏡對準特定恆星和其它源頭，測算它們與地球之間的距離以及遠離地球的速度。這兩個參數對估算哈勃常數至關重要。哈勃常數是一個用於描述宇宙膨脹速度的計量單位。但迄今為止，絕大多數精密觀測得出的哈勃常數始終存在很大差異，導致科學家無法得出宇宙具體膨脹速度的一個決定性答案。科學家相信確定膨脹率有助於揭示宇宙的起源、命運以及是否會永遠膨脹下去或者最終發生崩塌。

麻省理工學院和哈佛大學的科學家提出了一種更準確更獨立的方式，來測算哈勃常數。具體地說，就是利用一種較為罕見的系統——黑洞-中子星雙體系統釋放的引力波。這是一個能量驚人的組合，由一個螺旋運動的黑洞和一顆中子星構成。它們彼此環繞並最終對撞，放射出足以搖晃太空的引力波和異常耀眼的閃光。

黑洞吞噬中子星

在7月12日發表於《物理評論快報》的一篇論文中，研究人員指出這種閃光有助於科學家估算黑洞-中子星雙體系統的速度，或者說遠離地球的速度。如果能夠在地球上探測到該系統放射的引力波，科學家能夠對它的距離進行一次獨立精確測算。研究人員表示雖然黑洞-中子星雙體系統極為罕見，但如果能夠探測到這種系統，哪怕只有幾個，也能對哈勃常數進行迄今為止最精確的測算，進而確定宇宙膨脹速度。

研究論文主執筆人、麻省理工學院物理學助理教授薩爾瓦特萊·維塔勒表示：「黑洞-中子星雙體系統是一個非常複雜的系統，我們對它們知之甚少。如果能夠觀測到這樣的系統，我們將對宇宙學研究做出巨大貢獻，進一步加深對宇宙的認知。」值得一提的是，哈佛大學的陳信宇（音）是論文的合著者。

1990年，「發現」號太空梭將哈勃望遠鏡送入太空

最近，科學家對哈勃常數進行了兩次獨立測算，一次是藉助美國宇航局的哈勃太空望遠鏡，一次是利用歐洲航天局的普朗克衛星。哈勃望遠鏡的測算立基於造父變星（一種較為罕見的恆星）和超新星的觀測數據。這兩種天體都被科學家視為「標準燭光」。它們的亮度變化具有可預測性，能夠幫助科學家估算恆星的距離和速度。

普朗克衛星的測算立基於宇宙微波背景波動的觀測數據。宇宙微波背景是大爆炸後殘留的電磁輻射，當時的宇宙還處在嬰兒時期。雖然兩個探測器的觀測都極為精確，但哈勃常數的估算結果卻存在很大差異。維塔勒說：「在這種情況下，我們便要寄希望於LIGO（激光干涉引力波天文台）。」

宇宙微波背景

LIGO用於探測災難性天文現象產生的引力波，也就是時空結構泛起的漣漪。維塔勒表示：「LIGO提供了一個非常直接且簡單的方式，可幫助測算引力波源頭的距離。藉助LIGO得出的觀測結果是引力波源頭距離的直接印記，無需進行其它分析。」

2017年，科學家第一次有機會利用一個引力波源頭估算哈勃常數，當時LIGO和義大利的「處女座」引力波探測器首次發現一對相撞的中子星。此次碰撞合併釋放出大量引力波，研究人員通過測算，確定該系統與地球之間的距離。此外，這一次的合併還放射出閃光。天文學家利用地面和太空望遠鏡對閃光進行觀測，以確定該系統的速度。

激光干涉引力波天文台（LIGO），用於探測引力波

通過這兩種觀測，科學家得出哈勃常數的一個新值。不過，這個估算值的不確定性達到14%，遠高於藉助哈勃和普朗克得出的數值。維塔勒表示如此高的不確定性主要歸因於這樣一個事實，即利用雙中子星系統放射的引力波估算該系統與地球之間的距離。這是一個令人畏懼的挑戰。

他說：「我們通過觀測引力波的強度來測算距離，這意味著測算結果在很大程度上依賴數據質量。如果數據質量高，觀測到的引力波強度大，進而得出一個更準確的距離。但這種方式只在一定程度上適用於雙中子星系統。」

普朗克衛星

這是因為雙中子星螺旋運動，彼此環繞，形成一個旋轉的能量盤並以一種不均衡的方式釋放引力波。大部分引力波直接從能量盤的中央噴出，少量引力波從邊緣逃逸。如果科學家探測到強烈的引力波信號，可能的解釋有兩個：探測到的引力波來自於一個距地球很近的雙中子星系統的邊緣，或者來自一個距地球很遠的雙中子星系統的中央。維塔勒說：「由於雙中子星系統的這種特性，我們很難確定究竟是哪一種情況。」

超級計算機模擬圖，黑洞合併釋放引力波

2014年，在LIGO首次探測到引力波前，維塔勒和他的同事對一個由黑洞和中子星構成的雙體系統進行觀測。與雙中子星系統相比，這個系統能夠讓科學家對距離進行更準確測算。黑洞旋轉觀測能夠達到怎樣的精確度？研究小組進行了分析。黑洞環繞它們的軸旋轉，方式與地球類似，但速度更快。

研究中，科學家對一系列存在黑洞的系統進行了模擬。包括黑洞-中子星雙體系統和雙中子星系統。作為這項努力的一個副產品，研究小組發現與雙中子星系統相比，他們能夠更準確測算黑洞-中子星雙體系統與地球之間的距離。維塔勒指出這是因為環繞中子星的黑洞旋轉，能夠幫助科學家進一步確定引力波來自系統的哪個區域。

黑洞吸食伴星的氣體

維塔勒說：「由於能夠更準確測算距離，我認為黑洞-中子星雙體系統是一個強有力的競爭者，可用於測算哈勃常數。2014年後，科學家利用LIGO得出了很多發現，還首次探測到引力波。對黑洞-中子星雙體系統的研究則被拋在腦後。」

最近，維塔勒再次將目光聚焦最初的觀測。在這篇新論文中，他拋出了一個理論問題。他說：「宇宙中的黑洞-中子星雙體系統數量遠遠不及雙中子星系統。是否每一個黑洞-中子星雙體系統都能讓我得出更精確的距離，進而彌補這種數量不足？」

銀河系中央潛伏著一個超大質量黑洞

為了解答這個疑問，研究小組進行模擬，預測兩種雙體系統在宇宙中的出現以及距離測算的精確度。根據他們的計算結果，即使雙中子星系統的數量是黑洞-中子星雙體系統的50倍，利用後者估算出的哈勃常數的精確度也與前者相當。更讓科學家感到樂觀的是，如果黑洞-中子星雙體系統更為常見——但仍比雙中子星系統罕見——所得出的哈勃常數的精確度可達到後者的4倍。