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引力波或解哈勃常数难题 甚至揭示宇宙命运

北京时间3月1日消息 据国外媒体报道,一项新研究称,通过分析死亡恒星在空间和时间结构中产生的涟漪——即引力波——科学家或许能很快解开宇宙膨胀速度的谜题,如果足够幸运的话。研究人员表示,这项新研究还可能揭示宇宙的最终命运。

宇宙自从138亿年前诞生以来一直在膨胀。为了测量目前宇宙的膨胀速度,科学家需要确定哈勃常数,从而推算出宇宙的年龄以及目前宇宙状态的细节。他们甚至还可以用哈勃常数来尝试了解宇宙的未来命运,例如是否会永远膨胀,还是会崩溃或四分五裂。

科学家主要使用两种方法来测量哈勃常数,其一是监测邻近的天体,估计它们的距离,从而推算出宇宙的膨胀速率。科学家对这些天体的性质已经有了很多了解,比如超新星爆发和造父变星等脉动变星。另一种方法是关注宇宙微波背景辐射,这是大爆炸事件残留的辐射。通过分析宇宙微波背景辐射随时间的变化,就可以计算出宇宙膨胀的速率。

然而,这两种方法就哈勃常数的值产生了两种不同的结果,从而得出不同的宇宙膨胀速率。宇宙微波背景辐射的数据显示,宇宙目前正在以大约每秒每326万光年67公里的速率膨胀,而超新星爆发和造父变星的数据显示,宇宙膨胀的速率是每秒每326万光年73公里。

这一差别表明,标准宇宙模型——科学家对宇宙结构及历史的理解——可能是错的。如果能解决这一被称为“哈勃常数冲突”的争论,或许将为揭示宇宙演化及其最终命运带来新的线索。

在新研究中,物理学家指出,从未来引力波研究中获得的数据可能会有助于解开这一难题。研究第一作者、纽约“熨斗”研究所(Flatiron Institute,一家从事分析程序和算法研究的非营利性研究机构)的天体物理学家斯蒂芬·菲尼(Stephen Feeney)说:“哈勃常数冲突是我们现有宇宙模型不完整的最明显暗示,但在5到10年内,这一难题有望解决。”

根据爱因斯坦的广义相对论,引力是质量扭曲时空的结果。当任何具有质量的物体移动时,它都会产生能以光速传播,并一路拉伸和挤压时空的引力波。


两颗中子星合并时产生引力波的示意图

引力波非常微弱,科学家直到2016年才首次探测到引力波的证据。2017年,科学家又探测到了中子星碰撞所产生的引力波。中子星来自超新星爆发中死亡的恒星残骸。如果恒星残骸的质量不足以坍缩成黑洞,那它们最终就会成为中子星。中子星的名称来源于它们的引力足够强大,可以将质子和电子挤压在一起,形成中子。

与黑洞不同,中子星会发出可见光,它们的碰撞也是如此。这些碰撞所产生的引力波被称为“标准警报”(standard sirens),可以帮助科学家确定它们与地球的距离;而碰撞所发出的光有助于确定它们相对于地球的移动速度。利用这两组数据,研究人员就能计算出哈勃常数。根据菲尼及其同事的估计,分析未来5到10年内大约50对中子星的碰撞,或许就能获得确定哈勃常数精确测量值的足够数据。

然而,这一估计还需要取决于中子星碰撞发生的频率。“中子星合并的发生率存在相当大的不确定性,毕竟我们至今只观测到一次,”菲尼说,“如果我们非常幸运才能见到一次,而且合并事件又比我们认为的罕见得多,那么观测到足够解释哈勃常数冲突的中子星合并事件就需要比我们在文中所说的更长的时间。”

菲尼表示,引力波最终可能会支持哈勃常数的某个值,而不是另一个值,但也有可能带来哈勃常数的第三个值。如果这种情况发生,那就有可能带来关于超新星、造父变星或中子星行为的新认识。这项研究的详细内容发表在2月14日的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

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