宇宙究竟膨脹得有多快？
自上個世紀二十年代埃德溫·哈勃發現宇宙膨脹以來，人們都在試圖回答這個問題。這個問題近些年來也受到了前所未有的關注，因為一些天文學家默默地期待著或許在追尋答案的路途中會發現新的物理。
要想知道這個問題的答案，天文學家需要測量所謂的哈勃常數。過去，測量哈勃常數的方法主要有兩種。一種方法常被稱為宇宙距離階梯，這是測量哈勃常數最標準、最古老的一個方法，它通過先對銀河系中的天體進行測量，接著再測量鄰近星系中同類型的天體的性質，來得出這些天體的距離，構建出距離階梯。通過宇宙膨脹的效應在這些天體發出的光上留下的印記，研究人員就可計算出膨脹速率。另一種則完全不同，它是通過分析大爆炸遺留的熱輻射——宇宙微波背景（CMB），推算出宇宙膨脹的速率。
採用第一種方法測得的哈勃常數大約為73-74 km/s/Mpc，其不確定性僅為2%左右；而採用第二種方法所測得的哈勃常數大約為67 km/s/Mpc，不確性度僅為1%。
12月15日，諾貝爾物理學獎得主Adam Riess領導的研究團隊提交了一篇新的論文，他們在利用宇宙距離階梯法對Gaia衛星測得的新數據進行分析之後，再次將哈勃常數的數值確定為73.2km/s/Mpc，這與他們之前的數據一致，但現在的不確定性只有1.8%。這一新結果表明，差異確實存在，而其中的原因卻無人知道。
2015年，科學家首次探測到引力波。自那之後，引力波天文學的崛起為解決許多天文學難題帶來了新的可能。通過研究探測到的引力波的性質，天文學家可以獲悉產生了引力波的天體的許多性質。近年來，一些研究人員正試圖用引力波來測量哈勃常數。2019年7月，一組天文學家就利用在2017年探測到的雙中子星合併，得出了一個新的哈勃常數值，
現在，在一項新的研究中，由物理學家Tim Dietrich等組成的國際研究小組，通過分析兩顆中子星相互碰撞形成黑洞時產生的電磁波和引力波，對中子星的質量和半徑進行了新的估算，並推斷出了新的宇宙膨脹的速率。研究結果被發表在了12月18日的《科學》雜誌上。
這種通過結合不同的信號來洞察遙遠的天體物理學，被稱為多信使天文學。在新研究中，研究人員所採用了來自於引力波事件GW170817和GW190425的數據。在GW170817事件中，天文學家除了探測到了由它發出的引力波信號之外，還探測到了它所產生的伽馬射線暴，以及在可見光、紅外光以及紫外光的電磁波信號；但GW190425事件只產生了引力波信號，其電磁波信號尚未被探測到。
通過結合這些數據，研究人員確定了對於一顆質量為1.4倍太陽質量的中子星來說，半徑約為11.75km，不確定性為+0.81km和-0.86km。中子星的大小直接取決於中子星核心處物質的行為，因此，這一結果將有助於科學家更好地了解中子星的內部運作機制。而在使用這些信息計算宇宙膨脹的速率時，他們測得哈勃常數值基本上與通過測量CMB所得的結果一致，結果為66.2km/s/Mpc，不確定性約為7%。
雖然新的哈勃常數結果的不確定性較大，無法最終解決分歧，但它為宇宙的膨脹速率問題提供了另一個新的數據點。並且，它表明了利用多信使天文學分析，僅通過一個中子星併合事件所產生的電磁波信號和引力波信號，就可以將哈勃常數的不確定性限制在7%左右。如此一來，利用這種測量方法，如果再有9個這樣的中子星併合事件，哈勃常數的測量值的不確定性就可被限制在2%以內；當這樣的時間40次合併，這一數值的不確定性便可將至1%。
此外，有趣的是，這次研究結果是基於一種完全不同的新方法所得出的，按照預期，它的結果應該更與採用宇宙距離階梯所得的結果相符，然而結果卻表明它更傾向於接近採用宇宙微波背景輻射所得的值。
雖然這種新的測量方法目前還無法完全解決當前存在的緊張局面，但它有可能為解決問題帶來新的思路，並有望在短期之內比迄今為止的任何一種方法都更精確地做到這一點。畢竟，引力波天文學是一個只有五年歷史的研究領域，因此，可以說這已是極為了不起的起步。相信在未來的幾年，還將會有更多的驚喜等待著我們。#木木西裡#
內容來源：原理
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