如何利用引力波来测量哈勃常数_风闻

中子星合并在时空结构中引起可探测的涟漪，称为引力波。

2017年8月17日上午，遥远宇宙发生的一场巨大撞击事件产生的余波终于在经过一亿多年的旅行后抵达了地球。

这种沿着时空结构荡漾开来的涟漪，被称为引力波，当这微弱的空间起伏引发LIGO的超灵敏探测器发出警报后，全球相关研究领域的科学家都兴奋了，其中之一便是芝加哥大学的丹尼尔·霍尔茨（Daniel Holz）教授。这一发现为他提供了急需的信息，可以为天体物理学中一个最重要的参数进行精确测量：哈勃常数，即宇宙膨胀的速率。

通过哈勃常数，可以解答宇宙的尺度及年龄等问题。

我们知道宇宙一直在膨胀，但科学家们惊异地发现，宇宙膨胀的速度不但没有随时间的推移而降低，反而是在加速。当他们试图获取精确的宇宙膨胀速率时，测量这个膨胀速率的不同方法却产生了不同的结果。

这两种测量方法分别是通过检测并对比遥远星系中超新星爆发的亮度，以及通过观察宇宙大爆炸残留的微波背景的微小波动来计算哈勃常数。二十年来，相关领域的科学家努力提高测量的精度，并排除或结合任何可能影响结果的因素，但分别得到的两个数值仍然顽固地存在近10％的差异。

现在有了第三种全新的、完全独立的方式来解决这个天文学中最紧迫的问题，或许它还能弥补我们的宇宙模型中存在某些缺陷。霍尔茨教授当然会为此兴奋。

因为超新星方法只能测量相对较近的事件，而宇宙微波背景产生的时间又过于古老，所以两种方法得到的结果都是正确的，那是基于宇宙的不同状态与阶段而得到的结果。

如果这两种方法中的某一个或两个都不存在系统性错误，或许它们实际反映了我们当前的宇宙模型中缺少一些对宇宙的基本认识，霍尔茨认为这是有可能的。

霍尔兹找到了第三种独立的测量哈勃常数的方法，但这取决于运气和极尖端的工程技术。

早在2005年，霍尔兹便与麻省理工学院的斯科特·休斯发表过一篇论文，建议结合引力波与光波来计算哈勃常数。因此这种方法依赖LIGO这样巨大且极其敏感的引力波探测器。

2017年8月17日的引力波来自两颗质量巨大的中子星，它们在一个遥远的星系中相互环绕并最终以接近光速猛烈撞击在一起。这次碰撞发出的引力波在宇宙中传播，并释放出光辐射，分别被LIGO及地球或轨道上的光学望远镜捕获。

这一道引力波及辐射让科学家陷入了眩晕状态。虽然再此之前LIGO已经获得过几次引力波事件的数据，但那些都是由两个黑洞的合并引发的，这种事件光学望远镜是无法观测的。

但这次居然是两个中子星的合并事件，引力波与光波的结合打开了一扇新的科学财富大门，其中就包括霍尔兹计算哈勃常数所需的两条重要信息。

为了对哈勃常数进行测量，首先需要知道引力波事件发生的地点与地球之间的距离有多远。然后便可以利用一个非常简单的等式H=v/d来计算出哈勃常数，即哈勃常数为天体的移动速度除以距该天体的距离。

这好像有点违反直觉，对吧，最容易计算的部分反而是天体的移动速度？

原因在于：由于中子星碰撞发出明亮的余辉，天文学家可以利用望远镜精确定位它们所在的星系位置。然后利用红移现象，通过测量星系的光谱颜色，来估算星系离开我们的速度。对于天文学家来说，这是一个已经使用了上百年的简单伎俩。

真正困难的是准确测量出距离，这就体现了引力波探测的重要性。LIGO获取的信号被转换为如下曲线：

图片来源：LIGO

通过对信号的解析，科学家可知这两个中子星的质量及碰撞释放的能量有多大。通过比较它们到达地球时的引力波强度，可以推断出它们距离我们有多远。

利用这一方法得到的哈伯常数为70(km/s)/Mpc，介于之前两种方法得到的结果之间，它们分别是73（来自超新星方法）与67（来自宇宙微波背景）。

当然，这只是通过一次观测数据得到的结果。LIGO在升级后提高了灵敏度，虽然无法预测宇宙中中子星合并的频率，不过随着时间推移，必将观测到越来越多的中子星合并事件，并逐渐提高哈勃常数的精度。

在未来，天文学家也许会找到另一种新的方法继续提高这个重要常数的精度。

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观察者：@酆都御史 | 微信公众号：大好山水中人 | 头条号：心系宇宙天地宽