宇宙138億歲了！研究發現引力波可以解決哈勃常數之謎！

博科園：本文為天文學類

如果科學家幸運的話，通過分析雙星碰撞對空間和時間結構產生的漣漪，可能很快就能解開宇宙膨脹速度之謎。這是一項新研究的結論，研究人員說，這項研究也可能揭示宇宙的最終命運。宇宙自138億年前誕生以來一直在擴張，通過測量目前宇宙膨脹的速度，即哈勃常數，科學家可以推斷宇宙的年齡和它當前狀態的細節。甚至可以用這個數字來試著了解宇宙的命運，比如宇宙是否會永遠膨脹，是否會自行坍縮，或者是否會完全分裂，科學家們使用兩種主要的方法來測量哈勃常數，一種方法是監測附近的天體，這些天體的性質科學家們都很了解

博科園-科學科普：比如超新星爆炸和造父變星等脈衝恆星，以便估算它們之間的距離，然後推斷宇宙的膨脹速度。另一項聚焦於宇宙微波背景輻射，即宇宙大爆炸遺留下來的輻射，研究其隨時間的變化，以計算宇宙膨脹的速度。然而，這兩種技術對於哈勃常數的值產生了兩種不同的結果。來自宇宙微波背景的數據顯示，宇宙目前正以每秒41.6英里(67公里)的速度膨脹，每326萬光年，而來自附近宇宙的超新星和造父變星數據顯示，每326萬光年膨脹45.3英里(73公里)。這種差異表明標準宇宙模型（科學家對宇宙結構和歷史的理解）可能是錯誤的。解決這一被稱為「哈勃持續衝突」的爭論，可能有助於揭示宇宙的演化和最終命運。

兩顆中子星合併並釋放引力波的描繪概念圖，圖片：R. Hurt/Caltech-JPL

在這項新研究中，物理學家們提出，來自時空結構中被稱為引力波的漣漪，未來數據可能有助於打破這種僵局。該研究的主要作者、紐約熨斗研究所(Flatiron Institute)的天體物理學家斯蒂芬·菲尼(Stephen Feeney)說：哈勃望遠鏡的不斷衝突（這是我們對宇宙模型不完整的最大暗示）在5到10年內是可以解決的。根據愛因斯坦的廣義相對論，引力是質量扭曲時空的結果。任何有質量的物體移動時，都會產生引力波，引力波以光速傳播，在傳播過程中會拉伸和擠壓時空。引力波異常微弱，直到2016年科學家才首次發現引力波存在的直接證據。在2017年，科學家還探測到了中子星碰撞產生的引力波。

中子星是在超新星(supernovas)災難性爆炸中死亡的恆星殘骸。如果一顆恆星的殘骸質量不足以坍縮成黑洞，那麼它們最終將可能成為中子星。中子星之所以得名，是因為它的引力足夠強大，足以將質子與電子一起壓碎，形成中子。與黑洞不同，中子星發出可見光，它們的碰撞也是如此。這些合併產生的引力波，被稱為「標準警報器」，將幫助科學家確定它們與地球的距離，而這些碰撞發出的光將幫助確定它們相對於地球的移動速度。研究人員可以使用這兩組數據來計算哈勃常數。根據Feeney和同事們的研究，分析未來5到10年內50對中子星之間的碰撞可能會得到足夠數據來確定哈勃常數的最佳測量值。

然而，這一估計取決於中子星碰撞發生的頻率。中子星合併速度存在相當大的不確定性——畢竟，我們迄今只看到過一次，如果我們非常幸運地看到了這一現象，而且合併實際上比我們想像的要罕見得多，那麼觀測解釋哈勃常數衝突所需的合併數量可能比我們在工作中所說的要長。引力波最終可能支持哈勃常數的一個值，而不是另一個值，但它們也可能決定哈勃常數的第三個新值。如果這種情況發生，它可能會帶來有關超新星、造父變星或中子星行為的新見解。科學家們在2月14日的《物理評論快報》論文上詳細介紹了他們的研究發現。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻:《物理評論快報》

文: Charles Q. Choi/space

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.061105

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