138亿年前，自宇宙大爆炸以来，它就一直在膨胀，连带着不计其数的星系和恒星，它们就像是迅速膨胀的面团中的葡萄干。
○ 宇宙膨胀的“葡萄干面包”模型，葡萄干的相对距离随着空间（面团）的膨胀而增加。| 图片来源：NASA / WMAP SCIENCE TEAM
天文学家将望远镜对准某些特定的恒星或其它宇宙源来测量它们与地球的距离以及远离我们的速度。从这两个参数就可以估算出哈勃常数的值。精确的哈勃常数能够帮助我们更好的推算宇宙的年龄以及宇宙的膨胀率。如果能够得知宇宙膨胀得有多快，那么我们就能更好的预测宇宙的命运——它是永远的膨胀下去，还是终将坍缩？
科学家利用两种独立的方法来测量哈勃常数，其中一个使用了NASA的哈勃太空望远镜，另一个则使用了ESA的普朗克卫星。哈勃太空望远镜的测量是基于对造父变星和超新星的观测。这两种天体都被视作为“标准烛光”，因为它们的亮度模式是可以预测的，科学家可以用它们来估算恒星的距离和速度。另一种方法是基于对早期宇宙遗留下来的电磁辐射——
宇宙微波背景的涨落的观测。这两种方法都非常精确，但问题是它们给出的值并不一致！这是很令人沮丧却兴奋的局面。（在5月1日推送的《宇宙学危机：无法统一的哈勃常数！》一文中详细讨论了该问题。）
○测量哈勃常数的三种方式：宇宙微波背景（普朗克）、双中子星合并（引力波）、宇宙距离阶梯（SH0ES）。双中子星合并所测量的值恰好介于其它两种方法之间，但由于这只是一次性事件，因此误差远大于另外两种。 | 图片来源：DOI:10.1038/nature24471
一个新的方法
那么除了刚刚提到的两种方法，我们还有其它更精确的方法吗？答案是肯定，激光干涉引力波天文台（LIGO）在2015年首次探测到的引力波为解决这个困境带来了新希望。这是因为引力波提供了一个非常直接且简单的方式来测量其辐射源的距离。
2017年，科学家终于等到了通过引力波来测量哈勃常数的第一次机会。LIGO和另一个位于意大利的引力波探测器Virgo第一次探测到了一对中子星的合并。此次合并辐射出的引力波使研究人员得以测量该系统的距离。此外，双中子星的合并也辐射出了大量的闪光，使天文学家可以利用地面和太空望远镜计算该系统的速度，或者说远离地球的速度。
通过这两个测量，科学家计算了一个新的哈勃常数值。然而，这个值的不确定性高达14%，远高于哈勃太空望远镜和普朗克卫星所测得的误差。而这种不确定性很大程度上源于这样一个事实，即利用这个特定系统发出的引力波来估算双中子星与地球的距离是很有挑战性的。（当然，随着探测到的双中子星合并越来越多，不确定性也会逐渐缩减。）
我们通过观察引力波有多“响亮”来测量距离，这意味着它在我们的数据中有多清晰。如果非常清晰，就可以知道它有多响亮，这就给出了距离。但对于双中子星而言，这只是部分正确。
这是因为当两颗中子星相互旋绕靠近时，这些系统会产生一个旋转的能量盘，并以不均匀的方式发射引力波。大部分引力波直接从盘的中心发射出去，而一小部分则从边缘逃逸出来。如果科学家探测到一种“响亮”的引力波信号，它可能表明两种情况中的一种：探测到的引力波要么来自于系统的边缘（离地球较近），要么来自系统的中心（较远）。
对于双中子星系统而言，要区分这两种情况非常困难的。
一个新的波
现在，来自MIT和哈佛大学的两名科学家提出了一个更精确、更独立的方法来测量哈勃常数。在他们的方法中，所需要的是一个黑洞和中子星组成的系统。当它们最终合并时，也会释放出引力波和电磁波。
早在2014年的时候，MIT的科学家Salvatore Vitale就和他的同事就观察到，与双子星系统相比，黑洞-中子星系统就可以提供更精确的距离测量。他们想要知道的是我们究竟以多高的精确度测量黑洞的自旋。
研究人员模拟了一系列黑洞的系统，包括中子星-黑洞系统和双子星系统。作为这一努力的副产品，研究小组注意到，与双中子星系统相比，他们能够更准确地确定黑洞-中子星的距离。Vitale表示，这是由于中子星周围的黑洞在旋转，这可以帮助科学家更好地确定引力波从系统的什么地方释放出来。
由于能够更好地测量距离，Vitale认为黑洞-中子星系统能够更好地确定哈勃常数的值。但由于这几年引力波的发现和LIGO的升级，使得这个想法被搁置了。现在，Vitale又回到了他最初的观测。他想知道的是，黑洞-中子星系统虽然能够给出更好的距离，但它是否能够抵消一个潜在的事实：宇宙中这种系统可能要比双中子星系统少的多。
为了解答这个疑虑，他们预测了这两种类型的系统在宇宙中的出现频率，并通过它们来测量距离的精确性。他们得出的结论是，即使双中子星系统的数量比黑洞-中子星系统多出50倍（50：1），后者得出的哈勃常数的精确性与前者相似。
2019年1月，LIGO将重新启动，以更高的灵敏度继续收集数据，这意味着我们可以看到更遥远的天体。可以预期的是，LIGO至少可以看到一起黑洞-中子星的合并事件，以帮助我们解决哈勃常数的困境。
现在，我们所要做的就是等待幸运的降临。
http://news.mit.edu/2018/gravitational-waves-reveal-fast-universe-expanding-0712
https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.121.021303
https://arxiv.org/pdf/1804.07337.pdf
十大热门文章
END
閱讀更多 中國物理學會期刊網 的文章
