黑洞和中子星碰撞最終可以解決不同方法測量宇宙膨脹率的差異

過去幾年中天文學的發展，可能聽過所謂的宇宙學危機，天文學家想知道我們目前對宇宙的理解是否有問題。這場危機圍繞著宇宙膨脹的速度展開：當前宇宙中膨脹率的測量值與早期宇宙中膨脹率的測量值並不吻合。由於沒有跡象顯示為什麼這些測量結果會產生分歧，因此天文學家無法解釋這種差異。

解決這一難題的第一步是嘗試測量膨脹率的新方法。倫敦大學學院（University College London）的研究人員建議，我們可以通過觀測黑洞和中子星碰撞來創建一種新的，獨立的，對宇宙膨脹率的度量。

當我們觀察宇宙時，距離更遠的星系似乎比靠近的星系更快地遠離我們，因為宇宙的空間正在擴展。由稱為哈勃常數的數字表示，通常表示為距離百萬秒差距（Mpc）的星系的速度（以每秒多少公里為單位）。

測量哈勃常數的最好方法之一就是觀測造父變星的天體。造父變星是有規律地變暗的恆星，它們的亮度剛好與它們的周期（變暗和變亮所需的時間）一致。這些天體的規律性使到估計它們的距離成為可能，並且對許多造父變星的測量得出的哈勃常數約為每百萬秒差距以每秒73公里速度膨脹。1A型超新星是另一個已知亮度的普通天體，它們的哈勃常數也保持在每百萬秒差距以每秒73公里速度左右膨脹。

另一方面，通過觀察宇​​宙大爆炸的餘輝，即宇宙微波背景輻射，來衡量宇宙在最早階段的膨脹。我們對宇宙微波背景輻射的最佳測量是由歐洲太空總署的普朗克衛星進行的，他們在2018年發佈了最終數據。普朗克觀測到的哈勃常數為每百萬秒差距以每秒67.66公里速度膨脹。

67和73之間的差異並不大，起初，最有可能解釋該差異的原因似乎是儀器誤差。但是，通過隨後的觀察，這些測量的誤差已經縮小到足以使差異在統計上出現顯著的程度。

這是倫敦大學學院研究人員希望介入的地方。他們提出一種測量哈勃常數的新方法，該方法不以任何方式依賴於其它兩種方法。首先是對重力波的測量：時空的起伏是由黑洞之類的大質量物體碰撞引起的。最早的重力波是在2015年才發現的，尚未與任何可見的碰撞相關聯。

正如首席研究員史提芬·費尼（Stephen Feeney）解釋的那樣，我們尚未發現這些碰撞產生的光。但是，檢測重力波的設備的靈敏度的提高以及印度和日本的新型檢測器將導致我們可以檢測到多少種此類事件，這將帶來巨大的進步。

重力波使我們能夠精確定位這些碰撞的位置，但是如果要測量碰撞的速度，我們也需要測量碰撞產生的光。黑洞和中子星碰撞可能只是產生兩者的事件類型。

倫敦大學學院研究團隊使用模擬來估計未來十年可能發生多少次黑洞和中子星碰撞。他們發現，到2030年之前，地球的重力波探測器可能會拾取三千個，其中大約一百個也會產生可見光。

這樣就足夠了。因此，到2030年，我們可能會對哈勃常數進行全新的測量。我們尚不知道新的測量結果是否將與宇宙微波背景輻射測量結果一致，還是與造父變星/1A型超新星測量結果一致，還是與這兩者都不一致。但是無論結果如何，它將成為揭開謎題的重要一步。它可能使宇宙學的危機得到緩解，也可能變得更加嚴重，迫使我們更加仔細地研究我們的宇宙模型，並承認我們對宇宙的了解比我們想像的少。

【圖：美國太空總署；文：節譯自倫敦大學學院2021年4月28日新聞公佈】 研究全文刊登在2021年4月28日出版的《物理學評論快報》