哈勃常數之謎:引力波揭示宇宙膨脹速度?

2020-12-06 博科園
博科園-科學科普-天文學類

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。

大爆炸藝術概念圖

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（雷射幹涉引力波天文臺）。」

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。

雷射幹涉引力波天文臺（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。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。

大爆炸後宇宙迅速膨脹，溫度隨之降低

維塔勒指出：「迄今為止，科學家一直將目光聚焦雙中子星系統，將其作為利用引力波測算哈勃常數的一種手段。我們的研究顯示另一個引力波源頭——黑洞-中子星雙體系統——也是一個不錯的選擇。但直到現在，科學家仍未對這種系統進行細緻研究。LIGO將在2019年再次披掛上陣，獲取新的觀測數據。屆時，這個探測器將擁有更高的靈敏度，能夠觀測到更為遙遠的天體。我認為LIGO至少能發現一個黑洞-中子星雙體系統，運氣好的話，能夠發現25個。這些發現有望在未來幾年幫助我們消除哈勃常數測算結果的巨大差異。

博科園-科學科普｜文：麻省理工學院/漫步宇宙/qqtaikong

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