安裝在智利布蘭科望遠(yuǎn)鏡上的暗能量相機(jī)拍攝到了中子星碰撞后天空中亮點(diǎn)的圖像。烏切卡戈、阿爾貢和費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家是國際暗能量研究合作的成員。
二十年前，科學(xué)家們震驚地意識到，我們的宇宙不僅在膨脹，而且隨著時(shí)間的推移，膨脹得越來越快。
繼著名天文學(xué)家、宇智高校友埃德溫哈勃之后，確切地說，確定的哈勃常數(shù)非常難以確定。從那以后，科學(xué)家們使用了兩種方法來計(jì)算這個(gè)值，他們吐出了不同的令人沮喪的結(jié)果。但是去年，中子星碰撞產(chǎn)生的引力波被意外捕獲，這為計(jì)算哈勃常數(shù)提供了第三種方法。
這只是一次碰撞的單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，但在10月17日發(fā)表在《自然》雜志上的一篇新論文中，芝加哥大學(xué)的三位科學(xué)家估計(jì)，考慮到研究人員看到第一次中子星碰撞的速度有多快，他們可以在5到10年內(nèi)非常精確地測量哈勃常數(shù)。
“哈勃常數(shù)告訴你宇宙的大小和年齡；宇宙學(xué)自誕生以來就是一個(gè)圣杯。利用引力波來計(jì)算這一點(diǎn)可以讓我們對宇宙有一個(gè)新的視角，”該研究的作者丹尼爾霍爾茨(Daniel holz)說，他和烏切卡戈物理學(xué)教授共同撰寫了2017年發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)這樣的計(jì)算。"問題是：它什么時(shí)候變成了改變宇宙觀的游戲？"
1929年，埃德溫哈勃宣布，根據(jù)他對銀河系外星系的觀察，它們似乎正在遠(yuǎn)離我們——離銀河系越遠(yuǎn)，它后退得越快。這是大爆炸理論的基石，它開啟了近一個(gè)世紀(jì)以來對這種情況準(zhǔn)確性的探索。
為了計(jì)算宇宙的膨脹速度，科學(xué)家需要兩個(gè)數(shù)字。一是遠(yuǎn)處物體的距離；另一個(gè)是由于宇宙的膨脹，物體離開我們的速度有多快。如果你能通過望遠(yuǎn)鏡看到它，那么第二個(gè)數(shù)字相對容易確定，因?yàn)楫?dāng)你看到一顆遙遠(yuǎn)的恒星時(shí)，你看到的光會在它后退時(shí)變成紅色。一個(gè)多世紀(jì)以來，天文學(xué)家一直在使用這種技術(shù)來觀察物體的運(yùn)動速度——就像多普勒效應(yīng)一樣，當(dāng)警報(bào)過去時(shí)，警報(bào)會改變音調(diào)。
“計(jì)算中的主要問題”
但是精確測量距離要困難得多。傳統(tǒng)上，天體物理學(xué)家使用一種被稱為宇宙距離階梯的技術(shù)，在這種技術(shù)中，一些可變恒星和超新星的亮度可以用來建立一系列與所討論的物體相關(guān)的比較。霍爾茨說，“問題是，如果你在表面下抓撓，會有很多步驟和假設(shè)。”
也許用作標(biāo)記的超新星并不像預(yù)期的那樣一致。也許我們把某些類型的超新星誤認(rèn)為其他超新星，或者我們在測量到附近恒星的距離時(shí)有一些未知的誤差。“那里有許多復(fù)雜的天體物理學(xué)，可以在許多方面丟棄讀數(shù)，”他說。
計(jì)算哈勃常數(shù)的另一個(gè)主要方法是觀察宇宙微波背景——宇宙開始時(shí)產(chǎn)生的光脈沖，它仍然是微弱可探測的。雖然它也很有用，但這種方法也取決于對宇宙如何工作的假設(shè)。
令人驚訝的是，雖然每次都會計(jì)算的科學(xué)家對他們的結(jié)果都很有信心，但他們并不匹配。有人說宇宙膨脹的速度比另一個(gè)快10%?！斑@是目前宇宙學(xué)的一個(gè)主要問題，”該研究的第一作者陳新宇說，他當(dāng)時(shí)是UChicago的研究生，現(xiàn)在是哈佛大學(xué)黑洞項(xiàng)目的研究員。
然后，LIGO探測器在去年兩顆恒星碰撞的時(shí)空結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了他們的第一個(gè)漣漪。這不僅震驚了天文臺，也震驚了天文學(xué)本身：能夠用望遠(yuǎn)鏡感受引力波，看到碰撞產(chǎn)生的光，給科學(xué)家?guī)砹藦?qiáng)大的新工具?！斑@有點(diǎn)像財(cái)富的尷尬，”霍爾茨說。
引力波提供了一種完全不同的方法來計(jì)算哈勃常數(shù)。當(dāng)兩顆巨星相互碰撞時(shí)，它們會在時(shí)空結(jié)構(gòu)中發(fā)出漣漪，在地球上可以被探測到。通過測量這個(gè)信號，科學(xué)家可以獲得碰撞恒星的質(zhì)量和能量特征。當(dāng)他們將這個(gè)讀數(shù)與引力波的強(qiáng)度進(jìn)行比較時(shí)，他們可以推斷出它有多遠(yuǎn)。
霍爾茨說，這種測量更清晰，對宇宙的假設(shè)更少，這應(yīng)該會使它更準(zhǔn)確。他和麻省理工學(xué)院的斯科特休斯一起，在2005年提出了用引力波和望遠(yuǎn)鏡讀數(shù)進(jìn)行測量的想法。唯一的問題是科學(xué)家能捕捉這些事件多久，他們的數(shù)據(jù)有多好。
它只會變得更有趣'
該論文預(yù)測，一旦科學(xué)家檢測到中子星碰撞的25個(gè)讀數(shù)，他們將以3%的精度測量宇宙的膨脹。有200個(gè)讀數(shù)，這個(gè)數(shù)字減少到1%。
“當(dāng)我們進(jìn)入模擬時(shí)，對我來說是一個(gè)驚喜，”陳說。“顯然，我們可以達(dá)到精度，我們可以快速達(dá)到目標(biāo)?！?
科學(xué)家們說，不管答案是什么，哈勃常數(shù)的精確新數(shù)字都將令人著迷。例如，其他兩種方法不匹配的一個(gè)可能原因是重力本身可能會隨著時(shí)間而變化。閱讀也可能揭示暗能量，一種負(fù)責(zé)宇宙膨脹的神秘力量。
“我們很幸運(yùn)，因?yàn)槲覀內(nèi)ツ昕吹降呐鲎病x我們很近，所以相對容易找到和分析，”UChicago的研究生、該論文的另一位作者M(jìn)aya Fishbach說。ldq
uo;未來的探測距離會更遠(yuǎn)，但是一旦我們得到下一代望遠(yuǎn)鏡，我們就應(yīng)該能夠找到這些遙遠(yuǎn)探測器的對應(yīng)物。”LIGO探測器計(jì)劃于2019年2月開始新的觀測，并由VIRGO的同行加入。由于升級，探測器的靈敏度將更高 - 擴(kuò)大他們可以拾取的天文事件的數(shù)量和距離。
“這只會從這里變得更有趣，”霍爾茲說。
作者在芝加哥大學(xué)研究計(jì)算中心進(jìn)行了計(jì)算。
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