雙中子星合併,將破解宇宙學最大的矛盾?

中子星併合發出的引力波,可以幫助我們測出宇宙膨脹的速度。


雙中子星合併,將破解宇宙學最大的矛盾?

1929年,美國天文學家埃德溫·哈勃首次證實宇宙是在膨脹的,也因此說明了宇宙有一個開端。在此之後,科學家就一直在熱切地爭論宇宙的膨脹速率。宇宙膨脹速度反映了宇宙的組成(物質、暗能量和輻射會以不同的形式影響宇宙的膨脹)和宇宙的年齡,所以哈勃常數對於理解宇宙起著十分重要的作用。

然而直至今日,對哈勃常數的測量卻難以取得令人滿意的結果。即使是兩種最精確的測量方法,得出的結果也有8%的差值。來自芝加哥大學科維理研究所(Kavli Institute)的宇宙物理學家Dan Scolnic說,這是“宇宙學中現有的最大矛盾”。測量結果的不匹配暗示,或許宇宙學家忽視了某些影響宇宙演化的重要細節。但是要確定真實情況,他們需要對測量手段進行獨立檢驗。

而LIGO和Virgo探測器聯合探測到的雙中子星合併,也許就是確定哈勃常數所需的獨立檢測。

在芝加哥大學和LIGO工作,同時也積極參與到新的哈勃常數檢驗的天體物理學家 Daniel Holz 在郵件中說到:“這次碰撞讓我們在宇宙學研究中也能佔有一席之地,當我們有更多的觀測數據時,便可以期待在這個領域中起到重要作用。”


雙中子星合併,將破解宇宙學最大的矛盾?

三種方式(宇宙微波背景輻射、雙中子星合併、宇宙距離階梯)各自測出的哈勃常數

在膨脹的宇宙中,越遠的天體,退行速度越快。哈勃常數給出了天體的退行速度。埃德溫·哈勃自己估算得出,一個星系與我們的距離每增加百萬秒差距(相當於330萬光年),其退行速度會增加500km/s。這是一個很粗略的估計;到70年代,天體物理學家認為,每百萬秒差距的退行速度變化大概是在50km/s或100km/s,這取決於他們的計算方法。當誤差被排除在外時,不同方法求得的數值大概都取在中間值。然而,在過去的一年半中,哈勃常數的爭議又被重新提及。這一次,雙方的數值分別是67 和73。

73.2:距離測定難題

73這個更大的估計來自於對大量天體的觀察,天文學家估算了每一個天體的距離和退行速度。通過觀測恆星和星系退行產生的紅移(距離越遠,輻射波長越長,在可見光波段顏色趨於紅色的效應),是一個相對容易的辦法。對物體受附近天體引力影響導致的“本動速度”進行校正後,就只剩下由於宇宙膨脹導致的退行速度。

然而,歷史經驗已經證明,計算哈勃常數所需的另一重要參數——天體距離的測量更為困難。

為了估算天體的距離,天文學家通過建立“宇宙距離階梯”,用已有的級來校準更遠的。他們從用視差的方法(恆星一年中星軌的視運動)推測天體與銀河系的距離。通過這一信息,天文學家可以推斷造父變星的亮度,這一亮度可以被用來當作“標準燭光”,因為它們發出的光強都是固有亮度。天文學家首先定位臨近星系的造父變星,然後用它們來計算星系有多遠。隨後,通過造父變星校訂比標準燭光更明亮、在更遠的星系之中也能看見的Ia型超新星。

每一級的校準都會伴隨非常大的計算誤差。在2016年,一支由太空望遠鏡科學研究所和約翰霍普金斯大學領導的,名為SH0ES的團隊用宇宙距離階梯的方法,將哈勃常數以2.4%誤差限定在了73.2。

67.8:從早期宇宙推演

然而,在這一論文發表的同一年,一支大型團隊通過普朗克望遠鏡觀測早期宇宙,計算得到現在的膨脹率是67.8,誤差範圍在1%。

普朗克團隊是通過來自宇宙早期的微光,也就是宇宙微波背景輻射(CMB)進行推算的,CMB揭示了大爆炸38萬年後的這一臨界點,宇宙是什麼樣子的。CMB的快照描繪了簡單、幾乎光滑的、由等離子體填滿的早期宇宙。不同波長的壓力波在等離子體中擴散、壓縮和伸長,導致了不同尺度下的微小的密度變化。

在由CMB記錄下來的這一刻,特定波長的壓力波恰好波動到了幅度為零的平衡位置,短暫地消失了,在它們對應的尺度上製造出了平滑的等離子體密度分佈。同時,其他波長的壓力波會剛好在這一個時刻達到峰值,最大程度地伸長和壓縮等離子體,在它們對應的特徵尺度上製造出最大的密度起伏。

這些在不同的尺度上產生密度變化的峰值,可以由普朗克這樣的衛星觀測到,並被繪製成“CMB功率譜”,記錄下早期宇宙幾乎全部信息。尤其是哈勃常數,可以通過峰值之間的距離進行重建。來自加州理工學院的理論物理學家Leo Stein解釋:“這是一種幾何效應,宇宙膨脹得越厲害,就有更多來自CMB的光會隨著膨脹彎曲,在我們看來相鄰峰值會變得越近。”

雙中子星合併,將破解宇宙學最大的矛盾?

宇宙微波背景輻射功率譜

還有一些自然性質也會影響功率譜峰值和尾部的特徵,比如充滿宇宙時空結構卻看不見的“暗能量”。來自普朗克衛星團隊的科學家為了能夠估算出67這一哈勃常數,需要對其他的宇宙學參數作出推斷。

來自芝加哥大學,宇宙距離尺度方法的開創者Wendy Freedman說:“這兩項哈勃常數測量的相似性是‘驚人的’”。即使考慮誤差範圍,他們的測量結果也沒有重合。來自約翰·霍普金斯大學,領導了SH0ES 團隊的Adam Riess 對去年採訪他的《科學美國人》記者說道:“相比於我們基於早期宇宙及其演化方式所得的膨脹速率,宇宙現在看起來的膨脹速率要快8%,我們認為這個誤差非常嚴重。”

67 與73的差異可能來自於兩種估算方式被忽略的誤差。這一誤差可能是十分真實而且重要的,比如:普朗克團隊對宇宙從早期演化至今的探索,可能遺漏了某項宇宙組成成分,而這可能會改變宇宙的演化軌跡,使宇宙以超出預計的速率在加速膨脹。比如,假說中的第四種中微子也存在於早期宇宙中,這會增加輻射壓力,進而影響CMB峰值的寬度;或者是暗能量的負壓力加速了宇宙膨脹,導致暗能量密度隨著時間增加。

測定哈勃常數的新方法?

中子星合併事件的突然出現,有可能為這場爭論投出決定性的一票。麻省理工學院的Holz 和 Scott Hughes在2005年的一篇論文中,闡述到基於Bernard Schutz 20年前的研究,兩顆相撞的恆星可以視為標準信號。它們的碰撞會產生劇烈的時空起伏,並且不會被氣體或塵埃遮擋。因此,引力波攜帶了展現碰撞強度的乾淨信號,這可以使科學家直接推測出我們與信號源的距離,“這裡沒有宇宙距離梯度、沒有尚未被充分了解的宇宙學校準,你直接聽碰撞產生的聲音和其隨時間的變化,從而直接得知聲音究竟離我們有多遠。”Holz 解釋說。因為天文學家還可以檢測到中子星合併產生的電磁波,他們可以通過紅移算出合併中子星的退行速度。由退行速度除以距離就是哈勃常數。

僅僅根據第一次中子星合併事件,Holz和上百位合作者計算出哈勃常數在70(±10)km/s每百萬秒差距。(最主要的不確定度來自於中子星合併時相對於LIGO探測器的朝向,這會影響到測量到的振幅。)Holz說:“我認為大概是純運氣,我們恰好算到了此前兩種方法的中間值,我們的計算值可以輕鬆地從其中一個值跳到另一個。”

隨著之後幾年中,更多的標準信號被探測到,對哈勃常數的測量精度也會穩步提升,尤其是LIGO一直在升級它的敏感度。Holz表示:“大概再有10次類似於這樣的事件,我們就會將誤差降到1%”,雖然他強調這只是一個初步的而且具有爭議的估算。Riess認為大概需要30次事件會達到那個誤差範圍。Freedman說:“我相信該手段有可能改變宇宙學研究的現狀,而改變什麼時候會出現?天體退行的速率究竟是多少?我們現在還不知道。”

當更多的標準信號發出聲音,它們會逐漸決定,基於早期宇宙演化得出的膨脹率是否正確。Holz十分興奮地表示:“過去的十年間,我一直致力於這張圖表的繪製:由標準信號測量得到的哈勃常數。我將要做成我的哈勃常數圖,它會是十分美麗。”


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