新發(fā)現(xiàn)的“標(biāo)準(zhǔn)警報(bào)器”提供了一種獨(dú)立、合適的方法來測量宇宙膨脹速度。對于許多宇宙學(xué)家來說，中子星合并的最好之處是將宇宙另一個秘密公之于眾?？茖W(xué)家將近期發(fā)現(xiàn)的兩顆恒星碰撞時產(chǎn)生的引力波和電磁信號結(jié)合起來，以更清晰的方式確定宇宙結(jié)構(gòu)的膨脹速度，這是一個頗有爭議的數(shù)字：叫做哈勃常數(shù)。
中子星合并概念圖。圖片：Fermilab
博科園-科學(xué)科普：在宣布“中子星碰撞”即將到來的幾天里，哈勃專家們驚訝地發(fā)現(xiàn)他們討論的話題并非是這一事件能否解決這場爭論，但很快就會證明這一點(diǎn)。 自1929以來，科學(xué)家們就宇宙膨脹率進(jìn)行了激烈的爭論，當(dāng)時美國天文學(xué)家埃德溫哈勃首次確定宇宙正在膨脹，爭端也就此開始。
宇宙膨脹的速度反映了它內(nèi)部（因?yàn)槲镔|(zhì)、暗能量和輻射以不同的方式推動和拉扯宇宙）和宇宙的年齡，于是哈勃常數(shù)的值對于理解宇宙學(xué)其余部分是至關(guān)重要的。 然而，兩種最精確的測量方法卻得出了不同答案。芝加哥大學(xué)卡夫利宇宙物理研究所的丹·斯科尼克說：奇怪的8%差異是目前是宇宙學(xué)中最大張力。這種不匹配可能是宇宙學(xué)家沒有考慮影響宇宙演化的重要細(xì)節(jié)線索。
但是，如果是這樣的話，宇宙學(xué)家需要對測量過程進(jìn)行獨(dú)立的檢查。芝加哥大學(xué)的一位天體物理學(xué)家丹尼爾·霍爾茨和參加新哈伯測量的萊戈在一封電子郵件中說：第一次碰撞給了我們一張宇宙的座次表，當(dāng)?shù)玫礁嗟男畔r，可以期待它在這個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
圖片： DOI:10.1038/nature24471
在一個不斷膨脹的宇宙中，天體的位置越遠(yuǎn)，就越快退縮（遠(yuǎn)離速度越快），哈勃常數(shù)表示這速度要快得多，埃德溫哈勃估計(jì)，星系以每秒500公里的速度移動（一個百萬秒差距大約是330萬光年）數(shù)值為50/100s·Mpc，這是一個粗略的估算；到了1970年代，天體物理學(xué)家們所青睞哈勃常數(shù)值更精確了。由于誤差減小，這些陣營達(dá)成和解。然而在過去一年半的時間里，哈勃事件再次升溫。這一次67/73s·Mpc。
更高的73s·Mpc估算來自于觀測大量的天體，并估計(jì)每一個天體的距離和速度。通過觀察“紅移”，相對而言這能更容易地看到恒星或星系的y遠(yuǎn)離速度。一種顏色變紅與救護(hù)車的警笛聲在音高中有所下降有異曲同工之妙。物體“特有的速度”被改變是由于在其附近天體的引力所影響的原因。隨著宇宙的膨脹，留下了它遠(yuǎn)離的速度。
丹尼爾·霍爾茨是芝加哥大學(xué)的天體物理學(xué)家，也是與萊戈合作的成員，他幫助開發(fā)了利用中子星合并來測量宇宙膨脹的技術(shù)。圖片：Robert Kozloff/University of Chicago
然而，從歷史上看，已經(jīng)證明了測量物體距離的難度，這是計(jì)算哈勃常數(shù)所需的其他數(shù)據(jù)點(diǎn)。為了測量距離有多遠(yuǎn)，天文學(xué)家在一個“宇宙距離階梯”上建立了梯級，每個梯級都校準(zhǔn)更遠(yuǎn)的梯級。首先通過銀河系中恒星距離來推算恒星的距離——恒星在一年中穿越天空的明顯運(yùn)動。有了這些信息，天文學(xué)家可以推斷出所謂的造父星的亮度，它被稱為“標(biāo)準(zhǔn)光源”，因?yàn)樗砸阎膬?nèi)在亮度發(fā)光。
然后在附近的星系中發(fā)現(xiàn)這些造父星，并用它們來計(jì)算星系的距離。接下來，造父變星被用來校準(zhǔn)Ia超新星的距離——甚至在遙遠(yuǎn)的星系中可以看到更明亮更稀罕的標(biāo)準(zhǔn)光源。每次從一個梯級到下一個梯級時都會有計(jì)算失誤的危險(xiǎn)出現(xiàn)。然而2016年一個被稱為SHOES的小組使用宇宙距離梯形方法將哈勃常數(shù)固定在73.2s·Mpc（精確度為2.4%）。
在同一年發(fā)表的一篇論文中，一個團(tuán)隊(duì)使用了普朗克望遠(yuǎn)鏡對早期宇宙進(jìn)行觀測，獲得了當(dāng)前宇宙膨脹率的67.8s·Mpc的值（1%的精確度）。普朗克團(tuán)隊(duì)一直被稱為宇宙微波背景（CMB）微弱光線的開拓者，這揭示了宇宙在大爆炸后380000年的關(guān)鍵時刻。CMB快照描繪了一個簡單的、幾乎平滑充滿等離子體的年輕宇宙；所有不同波長的引力波在等離子體中蕩漾，擠壓和拉伸，并在不同的尺度上產(chǎn)生微妙的密度變化。
在CMB中記錄的時刻，從大爆炸到達(dá)零振幅并且暫時消失時，具有特定波長的引力波將只承受波動的適合部分，并在其相關(guān)長度尺度上產(chǎn)生平滑的等離子體密度。同時其他波長引力波在臨界時刻波動幅度恰好達(dá)到峰值，拉伸和擠壓等離子體到盡可能的程度，并在其相關(guān)的尺度上產(chǎn)生最大的密度變化。
在不同尺度上的密度變化中的波峰和波谷，可以由像普朗克這樣的望遠(yuǎn)鏡拾取并被繪制為“CMB功率譜”，實(shí)際上這編碼了關(guān)于年輕宇宙的一切。尤其是哈勃常數(shù)，可以通過測量峰之間的距離進(jìn)行重建。加州理工大學(xué)的理論物理學(xué)家Leo Stein解釋說：這是一個幾何效應(yīng)，宇宙膨脹得越多，來自CMB的光通過膨脹的時空時會越彎曲，會看到這些波峰會越靠越近。
圖片：ESA and the Planck Collaboration
大自然的其他特性也影響了波峰值的形狀，比如無形注入宇宙的“暗能量”。因此，普朗克科學(xué)家必須對所有其他宇宙學(xué)參數(shù)作出假設(shè)，以達(dá)到哈勃常數(shù)的67s·Mpc的估計(jì)值。芝加哥大學(xué)的天體物理學(xué)家溫迪·弗里德曼和宇宙距離階梯法的先驅(qū)說：兩個哈勃測量的相似性“令人驚訝”，然而它們的誤差邊緣并沒有重疊。宇宙膨脹的速度比你想象的要快百分之八，這是基于它在青年時期的樣子以及我們是如何期待它演化的的。”
67/72s·Mpc的差異可以歸結(jié)為一方或雙方的未知誤差。或者這種誤差可能是真實(shí)和重要的，這表明普朗克團(tuán)隊(duì)從早期宇宙到現(xiàn)在的外推遺漏了一種可以改變了歷史進(jìn)程，并導(dǎo)致了比預(yù)期更快膨脹率的宇宙成分。舉個例子，如果假設(shè)第四種中微子在早期宇宙中遍布，這將增加輻射壓力并影響CMB峰值寬度；或者是暗能量，其排斥引力會加速宇宙的膨脹，可能隨著時間的推移宇宙變得越來越密集。
突然間，中子星的碰撞出決定性的選擇
麻省理工學(xué)院的霍爾茨和史葛休斯在2005篇論文中稱之為“標(biāo)準(zhǔn)警笛”，這是20年前伯納德·舒茨的作品。它們通過不被氣體或灰塵所暗淡的時空向外傳播漣漪。正因?yàn)槿绱?，引力波傳遞了碰撞強(qiáng)度的清晰記錄，這使得科學(xué)家能夠“直接推斷出與光源的距離”，霍爾茲解釋道：沒有距離梯，天文校準(zhǔn)并沒有那么容易被理解。你可以聽到“碰撞”時的聲音有多大，以及聲音是如何隨時間變化的，以此可以直接推斷出它們之間的距離有多遠(yuǎn)。
因?yàn)樘煳膶W(xué)家也能從中子星碰撞中探測電磁波，所以他們可以用紅移來確定合并恒星的退縮速度，退避速度除以距離得到哈勃常數(shù)。從第一次中子星碰撞，霍爾茨和數(shù)百個合作者計(jì)算哈勃常數(shù)為70s·Mpc。不確定的主要來源是合并中子星相對于LIGO探測器的未知角度和方向，這影響了信號的測量振幅。在宇宙距離階梯與宇宙微波背景哈勃估計(jì)之間，可以很容易地倒向一方或另一方。
隨著未來幾年聽到更多標(biāo)準(zhǔn)警笛聲，測量的準(zhǔn)確性將穩(wěn)步提高，尤其是LIGO在靈敏度方面繼續(xù)攀升。霍爾茲的說法：大約每10個這樣的事件，會有1%的誤差，但他強(qiáng)調(diào)這是一個初步和有爭議的估計(jì)。里斯認(rèn)為這需要30多個標(biāo)準(zhǔn)警警笛事件才能達(dá)到這一水平。弗雷德曼說：我認(rèn)為這個方法有可能成為一個游戲改變者。
SHOES的斯科尼克說：團(tuán)隊(duì)和普朗克的測算能力是如此強(qiáng)大，以至于標(biāo)準(zhǔn)警笛方法不需要到達(dá)1%而博人眼球。隨著越來越多的標(biāo)準(zhǔn)警報(bào)響起，他們將一次又一次地驗(yàn)證哈勃常數(shù)，并確定膨脹率是否符合基于年輕宇宙的預(yù)期?；魻柶澕硬灰训卣f道：我將獻(xiàn)出我生命的最后十年，希望能繪制出一幅關(guān)于哈勃標(biāo)準(zhǔn)警笛的藍(lán)圖，一定非常漂亮。
博科園-科學(xué)科普｜文：Natalie Wolchover/Quanta magazine
