138億年前，自宇宙大爆炸以來，它就一直在膨脹，連帶著不計其數的星系和恆星，它們就像是迅速膨脹的麵糰中的葡萄乾。
○ 宇宙膨脹的“葡萄乾麵包”模型，葡萄乾的相對距離隨著空間（麵糰）的膨脹而增加。| 圖片來源：NASA / WMAP SCIENCE TEAM
天文學家將望遠鏡對準某些特定的恆星或其它宇宙源來測量它們與地球的距離以及遠離我們的速度。從這兩個參數就可以估算出哈勃常數的值。精確的哈勃常數能夠幫助我們更好的推算宇宙的年齡以及宇宙的膨脹率。如果能夠得知宇宙膨脹得有多快，那麼我們就能更好的預測宇宙的命運——它是永遠的膨脹下去，還是終將坍縮？
科學家利用兩種獨立的方法來測量哈勃常數，其中一個使用了NASA的哈勃太空望遠鏡，另一個則使用了ESA的普朗克衛星。哈勃太空望遠鏡的測量是基於對造父變星和超新星的觀測。這兩種天體都被視作為“標準燭光”，因為它們的亮度模式是可以預測的，科學家可以用它們來估算恆星的距離和速度。另一種方法是基於對早期宇宙遺留下來的電磁輻射——
宇宙微波背景的漲落的觀測。這兩種方法都非常精確，但問題是它們給出的值並不一致！這是很令人沮喪卻興奮的局面。（在5月1日推送的《宇宙學危機：無法統一的哈勃常數！》一文中詳細討論了該問題。）
○測量哈勃常數的三種方式：宇宙微波背景（普朗克）、雙中子星合併（引力波）、宇宙距離階梯（SH0ES）。雙中子星合併所測量的值恰好介於其它兩種方法之間，但由於這只是一次性事件，因此誤差遠大於另外兩種。 | 圖片來源：DOI:10.1038/nature24471
一個新的方法
那麼除了剛剛提到的兩種方法，我們還有其它更精確的方法嗎？答案是肯定，激光干涉引力波天文臺（LIGO）在2015年首次探測到的引力波為解決這個困境帶來了新希望。這是因為引力波提供了一個非常直接且簡單的方式來測量其輻射源的距離。
2017年，科學家終於等到了通過引力波來測量哈勃常數的第一次機會。LIGO和另一個位於意大利的引力波探測器Virgo第一次探測到了一對中子星的合併。此次合併輻射出的引力波使研究人員得以測量該系統的距離。此外，雙中子星的合併也輻射出了大量的閃光，使天文學家可以利用地面和太空望遠鏡計算該系統的速度，或者說遠離地球的速度。
通過這兩個測量，科學家計算了一個新的哈勃常數值。然而，這個值的不確定性高達14%，遠高於哈勃太空望遠鏡和普朗克衛星所測得的誤差。而這種不確定性很大程度上源於這樣一個事實，即利用這個特定系統發出的引力波來估算雙中子星與地球的距離是很有挑戰性的。（當然，隨著探測到的雙中子星合併越來越多，不確定性也會逐漸縮減。）
我們通過觀察引力波有多“響亮”來測量距離，這意味著它在我們的數據中有多清晰。如果非常清晰，就可以知道它有多響亮，這就給出了距離。但對於雙中子星而言，這只是部分正確。
這是因為當兩顆中子星相互旋繞靠近時，這些系統會產生一個旋轉的能量盤，並以不均勻的方式發射引力波。大部分引力波直接從盤的中心發射出去，而一小部分則從邊緣逃逸出來。如果科學家探測到一種“響亮”的引力波信號，它可能表明兩種情況中的一種：探測到的引力波要麼來自於系統的邊緣（離地球較近），要麼來自系統的中心（較遠）。
對於雙中子星系統而言，要區分這兩種情況非常困難的。
一個新的波
現在，來自MIT和哈佛大學的兩名科學家提出了一個更精確、更獨立的方法來測量哈勃常數。在他們的方法中，所需要的是一個黑洞和中子星組成的系統。當它們最終合併時，也會釋放出引力波和電磁波。
早在2014年的時候，MIT的科學家Salvatore Vitale就和他的同事就觀察到，與雙子星系統相比，黑洞-中子星系統就可以提供更精確的距離測量。他們想要知道的是我們究竟以多高的精確度測量黑洞的自旋。
研究人員模擬了一系列黑洞的系統，包括中子星-黑洞系統和雙子星系統。作為這一努力的副產品，研究小組注意到，與雙中子星系統相比，他們能夠更準確地確定黑洞-中子星的距離。Vitale表示，這是由於中子星周圍的黑洞在旋轉，這可以幫助科學家更好地確定引力波從系統的什麼地方釋放出來。
由於能夠更好地測量距離，Vitale認為黑洞-中子星系統能夠更好地確定哈勃常數的值。但由於這幾年引力波的發現和LIGO的升級，使得這個想法被擱置了。現在，Vitale又回到了他最初的觀測。他想知道的是，黑洞-中子星系統雖然能夠給出更好的距離，但它是否能夠抵消一個潛在的事實：宇宙中這種系統可能要比雙中子星系統少的多。
為了解答這個疑慮，他們預測了這兩種類型的系統在宇宙中的出現頻率，並通過它們來測量距離的精確性。他們得出的結論是，即使雙中子星系統的數量比黑洞-中子星系統多出50倍（50：1），後者得出的哈勃常數的精確性與前者相似。
2019年1月，LIGO將重新啟動，以更高的靈敏度繼續收集數據，這意味著我們可以看到更遙遠的天體。可以預期的是，LIGO至少可以看到一起黑洞-中子星的合併事件，以幫助我們解決哈勃常數的困境。
現在，我們所要做的就是等待幸運的降臨。
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
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