引力波可以提供对宇宙膨胀率的极其精确的测量

芝加哥大学的科学家根据LIGO对第一个中子星碰撞的快速首次发现，估计他们可以在五到十年内非常精确地测量宇宙的膨胀率。罗宾·迪内尔（Robin Dienel）/卡内基科学研究所

二十年前，科学家们震惊地意识到，我们的宇宙不仅在不断膨胀，而且随着时间的流逝而膨胀的速度越来越快。

在著名的天文学家和芝加哥大学的校友埃德温·哈勃（Edwin Hubble）之后，确定确切的扩张速度（称为哈勃常数）非常困难。从那以后，科学家使用了两种方法来计算该值，并吐出令人痛苦的不同结果。但是去年惊人地捕获了中子星碰撞产生的引力波，这提供了第三种计算哈勃常数的方法。

那只是一次碰撞的单个数据点，但是在10月17日于《自然》杂志上发表的一篇新论文中，三位芝加哥大学的科学家估计，鉴于研究人员看到第一颗中子星碰撞的速度有多快，他们可以非常准确地测量出哈勃在五到十年内保持恒定。

“哈勃常数告诉您宇宙的大小和年龄；自宇宙学诞生以来，这一直是圣杯。用引力波进行计算可以为我们提供有关宇宙的全新视角，”研究作者，芝加哥大学物理学教授丹尼尔·霍尔兹（Daniel Holz）说，他是2017年发现的第一篇此类计算的合著者。“问题是：什么时候改变宇宙学的游戏规则？”

1929年，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）宣布，根据他对银河系以外银河系的观测，它们似乎正在远离我们-银河系越远，它退缩的速度就越快。这是“大爆炸”理论的基石，它开始了近一个世纪的研究，以寻找发生这种情况的确切速度。

要计算宇宙膨胀的速度，科学家需要两个数字。一个是到遥远物体的距离。另一个是由于宇宙膨胀，物体离开我们的速度有多快。如果您可以用望远镜看到它，那么第二个量就相对容易确定，因为当您看着远处的恒星时，看到的光会随着它的后退而变成红色。天文学家一直在使用这种技巧来观察物体移动了一个多世纪的速度，就像多普勒效应一样，警笛随着救护车通过而改变了音调。

Dark Energy Camera拍摄了这些照片，这些照片是中子星碰撞后遗留下来的明亮辉光，在接下来的几周中逐渐消失了。由暗能量调查提供

计算中的主要问题

但是要获得距离的精确度量要困难得多。传统上，天体物理学家使用一种称为宇宙距离阶梯的技术，其中某些可变恒星和超新星的亮度可用于建立一系列可比较对象的比较。霍尔茨说：“问题是，如果您在表面下抓东西，那么一路上会有很多步骤和很多假设。”

也许用作标记的超新星并没有想象的那么一致。也许我们误以为是其他种类的超新星，或者我们在测量到附近恒星的距离时存在一些未知的错误。他说：“那里有许多复杂的天体物理学，可能以多种方式影响读数。”

计算哈勃常数的另一种主要方法是查看宇宙微波背景，这是在宇宙刚开始时产生的光脉冲，仍然很难被检测到。这种方法虽然也很有用，但也依赖于有关宇宙如何工作的假设。

令人惊讶的是，即使进行每次计算的科学家都对他们的结果充满信心，但他们并不匹配。一个说宇宙膨胀的速度比另一个快近10％。该研究的第一作者陈欣宇（Hsin-Yu Chen）说：“这是目前宇宙学中的一个主要问题。”陈信宇当时是美国芝加哥大学的研究生，现在是哈佛大学黑洞计划的研究员。

然后，LIGO探测器从去年的两颗恒星碰撞中发现了时空结构中的第一个涟漪。这不仅动摇了天文台，而且动摇了天文学领域：利用望远镜既可以感受到引力波，又可以看到碰撞后的光，为科学家们提供了强大的新工具。霍尔兹说：“这简直是一种财富的尴尬。”

引力波提供了一种完全不同的方式来计算哈勃常数。当两个巨大的恒星相互碰撞时，它们发出时空结构中的涟漪，这在地球上可以被检测到。通过测量该信号，科学家可以获得碰撞的恒星的质量和能量的特征。当他们将此读数与引力波的强度进行比较时，他们可以推断出读数有多远。

霍尔兹说，这种测量更干净，对宇宙的假设更少，这应该使它更精确。他与麻省理工学院的斯科特·休斯（Scott Hughes）一起提出了在2005年用引力波与望远镜读数配对进行测量的想法。唯一的问题是科学家多久可以捕获一次这些事件，以及来自这些事件的数据有多好。

“只会变得更有趣”

该论文预测，一旦科学家从中子星碰撞中检测到25个读数，他们将以3％的精度测量宇宙的膨胀。有了200个读数，该数字缩小到1％。

“当我们进入仿真时，这对我来说是一个惊喜，” Chen说。“很明显，我们可以达到精度，而且我们可以快速达到它。”

科学家们说，不管答案如何，一个精确的哈勃常数新数字都会着迷。例如，其他两种方法不匹配的一个可能原因是重力本身的性质可能会随着时间而改变。该阅读还可能揭示了暗能量，暗能量是造成宇宙膨胀的神秘力量。

“由于去年发生的碰撞，我们很幸运，因为它离我们很近，因此相对容易找到和分析，”芝加哥大学研究生和论文的另一位作者玛雅·菲什巴赫（Maya Fishbach）说。“未来的探测将距离更远，但是一旦我们获得了下一代望远镜，我们就应该能够为这些远距离的探测找到对应的望远镜。”

LIGO探测器计划于2019年2月开始新的观测运行，在VIRGO的意大利同行也将加入。由于进行了升级，探测器的灵敏度将大大提高，从而扩大了他们可以接收的天文事件的数量和距离。

霍尔茨说：“从这里开始只会变得更加有趣。”

作者在芝加哥大学研究计算中心进行了计算。

引文：“在5年内，从标准警报器获得2％的哈勃常数测量值。”Chen等人，自然，2018年10月17日。doi：10.1038 / s41586-018-0606-0