如果科學(xué)家幸運的話，通過分析雙星碰撞對空間和時間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的漣漪，可能很快就能解開宇宙膨脹速度之謎。這是一項新研究的結(jié)論，研究人員說，這項研究也可能揭示宇宙的最終命運。宇宙自138億年前誕生以來一直在擴(kuò)張，通過測量目前宇宙膨脹的速度，即哈勃常數(shù)，科學(xué)家可以推斷宇宙的年齡和它當(dāng)前狀態(tài)的細(xì)節(jié)。甚至可以用這個數(shù)字來試著了解宇宙的命運，比如宇宙是否會永遠(yuǎn)膨脹，是否會自行坍縮，或者是否會完全分裂，科學(xué)家們使用兩種主要的方法來測量哈勃常數(shù)，一種方法是監(jiān)測附近的天體，這些天體的性質(zhì)科學(xué)家們都很了解
比如超新星爆炸和造父變星等脈沖恒星，以便估算它們之間的距離，然后推斷宇宙的膨脹速度。另一項聚焦于宇宙微波背景輻射，即宇宙大爆炸遺留下來的輻射，研究其隨時間的變化，以計算宇宙膨脹的速度。然而，這兩種技術(shù)對于哈勃常數(shù)的值產(chǎn)生了兩種不同的結(jié)果。
來自宇宙微波背景的數(shù)據(jù)顯示，宇宙目前正以每秒41.6英里(67公里)的速度膨脹，每326萬光年，而來自附近宇宙的超新星和造父變星數(shù)據(jù)顯示，每326萬光年膨脹45.3英里(73公里)。這種差異表明標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型（科學(xué)家對宇宙結(jié)構(gòu)和歷史的理解）可能是錯誤的。解決這一被稱為“哈勃持續(xù)沖突”的爭論，可能有助于揭示宇宙的演化和最終命運。
兩顆中子星合并并釋放引力波的描繪概念圖，圖片：R. Hurt/Caltech-JPL
在這項新研究中，物理學(xué)家們提出，來自時空結(jié)構(gòu)中被稱為引力波的漣漪，未來數(shù)據(jù)可能有助于打破這種僵局。該研究的主要作者、紐約熨斗研究所(Flatiron Institute)的天體物理學(xué)家斯蒂芬·菲尼(Stephen Feeney)說：哈勃望遠(yuǎn)鏡的不斷沖突（這是我們對宇宙模型不完整的最大暗示）在5到10年內(nèi)是可以解決的。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，引力是質(zhì)量扭曲時空的結(jié)果。任何有質(zhì)量的物體移動時，都會產(chǎn)生引力波，引力波以光速傳播，在傳播過程中會拉伸和擠壓時空。引力波異常微弱，直到2016年科學(xué)家才首次發(fā)現(xiàn)引力波存在的直接證據(jù)。在2017年，科學(xué)家還探測到了中子星碰撞產(chǎn)生的引力波。
中子星是在超新星(supernovas)災(zāi)難性爆炸中死亡的恒星殘骸。如果一顆恒星的殘骸質(zhì)量不足以坍縮成黑洞，那么它們最終將可能成為中子星。中子星之所以得名，是因為它的引力足夠強(qiáng)大，足以將質(zhì)子與電子一起壓碎，形成中子。與黑洞不同，中子星發(fā)出可見光，它們的碰撞也是如此。
這些合并產(chǎn)生的引力波，被稱為“標(biāo)準(zhǔn)警報器”，將幫助科學(xué)家確定它們與地球的距離，而這些碰撞發(fā)出的光將幫助確定它們相對于地球的移動速度。研究人員可以使用這兩組數(shù)據(jù)來計算哈勃常數(shù)。根據(jù)Feeney和同事們的研究，分析未來5到10年內(nèi)50對中子星之間的碰撞可能會得到足夠數(shù)據(jù)來確定哈勃常數(shù)的最佳測量值。
然而，這一估計取決于中子星碰撞發(fā)生的頻率。中子星合并速度存在相當(dāng)大的不確定性——畢竟，我們迄今只看到過一次，如果我們非常幸運地看到了這一現(xiàn)象，而且合并實際上比我們想象的要罕見得多，那么觀測解釋哈勃常數(shù)沖突所需的合并數(shù)量可能比我們在工作中所說的要長。引力波最終可能支持哈勃常數(shù)的一個值，而不是另一個值，但它們也可能決定哈勃常數(shù)的第三個新值。如果這種情況發(fā)生，它可能會帶來有關(guān)超新星、造父變星或中子星行為的新見解。科學(xué)家們在2月14日的《物理評論快報》論文上詳細(xì)介紹了他們的研究發(fā)現(xiàn)。
博科園｜文: Charles Q. Choi/space
參考期刊《物理評論快報》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.061105
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