一次罕见的碰撞,能否解决宇宙学中的一大难题?

来源: 原理

发布日期: 2018-07-14

本文讨论了科学家如何利用多种方法,包括引力波和黑洞-中子星系统的合并,来测量哈勃常数,以解决宇宙学中的一个重大难题。尽管存在一些测量上的挑战,但新的方法和技术提供了希望,可能最终解决这个问题。

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。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!

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。

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,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。

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。

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