▲科学家利用超级计算机对合并后、正在发射引力波的黑洞进行模拟实验而生成的可视化视图。
根据宇宙大爆炸理论，自从138亿年前大爆炸以来，宇宙就裹挟着数千亿个星系和恒星一直不断地膨胀。哈勃常数，即哈勃定律中河外星系退行速度同距离的比值，是宇宙论体系中天文学家们描述宇宙膨胀速度的一个重要概念。
通过把望远镜对准某些恒星和其他宇宙源，天文学家测量它们离地球的距离以及它们离我们远去的速度——这是估算哈勃常数至关重要的两个常数。然而，迄今为止，一系列最为精确的观测得出的却是截然不同的哈勃常数结果，也就无法给出宇宙膨胀的确切速度。科学家们仍然相信，这些数据与信息能揭示宇宙的起源、命运以及它是会无限膨胀还是最终会崩溃的奥秘。
据《物理评论快报》（Physical Review Letters）7月12日刊发的一篇研究论文称，美国麻省理工学院（MIT）和哈佛大学（Harvard）的科学家们提出了一种更精确、更独立的方法来测量哈勃常数，那就是利用一种相对罕见的双星系统——由一个螺旋状黑洞和一颗中子星配对构成的高能“黑洞-中子星双星”系统——所发射出的引力波。具体来讲，当这两个天体相互靠近并最终相撞时，它们就会产生震动宇宙空间的引力波和一道闪光。
研究论文指出，一方面，这道闪光可以帮助科学家们估算出这个系统远离地球的速度；另一方面，如果在地球上探测到相应的引力波，科学家就能提供一个独立而精确的该系统与地球距离的测量结果。
MIT物理学助理教授、论文主要作者萨尔瓦托·维塔勒（Salvatore Vitale）表示，尽管“黑洞-中子星双星”系统是非常罕见的，但研究人员经计算断定，即使只能探测到极少数的该类系统，也足以空前精确地计算出哈勃常数以及宇宙膨胀的速率。
美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）能够探测由灾难性的天体物理现象所引发的引力波。维塔勒介绍道：“引力波为我们提供了一种非常直接而简单的方法来测量地球与其波源的距离。我们用LIGO检测到的是地球与波源之间距离的直接轨迹，无需任何额外的分析计算。”
2014年，在LIGO首次探测到引力波之前，维塔勒的团队经观察获知：与中子双星系统相比，一个由黑洞和中子星组成的双星系统能够提供更为精确的距离测量结果。维塔勒解释，由于黑洞围绕中子星旋转，这一特点可以帮助科学家更好地确定引力波是从系统的什么部位发散出来的。
为了验证这一结论，研究小组进行了模拟运算实验，力图预测这两种类型的双星系统在宇宙中出现的几率，以及它们各自在距离测量中的准确性。经计算，他们得出的结论是，尽管中子双星系统与“黑洞-中子星双星”系统的数量比是50:1，但通过两者计算出哈勃常数的精确度不分仲伯；更乐观地说，如果“黑洞-中子星双星”系统稍微更常见一点，即使仍然比中子双星罕见得多，前者的哈勃常数将是后者精确度的四倍。
维塔勒展望道：“我们已经证明，“黑洞-中子星双星”螺旋系统的引力波源到目前为止还没有被充分地利用——LIGO将在2019年1月重新开始收集数据，它的性能将更加敏感，这意味着我们将能够看到更遥远的天体。所以，LIGO应该能够观测到至少1个、最多25个‘黑洞-中子星双星’，这有望在未来几年里有助于缓解天文学界因不同哈勃常数测量值带来的纷争与压力。”
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编译：朱明逸 审稿：西莫 编辑：程建兰
来源：https://phys.org/news/2018-07-gravitational-reveal-fast-universe.html
