通過黑洞合并產(chǎn)生的引力波，探索宇宙的演化

“光譜警報”方法表明，研究大質量和致密宇宙物體之間的合并有助于人們理解宇宙是如何演化的。

黑洞合并引力波發(fā)射的例子。(圖片來源: ESA)

研究人員可能已經(jīng)找到了一種利用黑洞碰撞來測量宇宙膨脹速率并解開有關暗能量的一些謎團的方法。暗能量是一種神秘的力量，推動著宇宙的加速膨脹。

黑洞的劇烈合并會產(chǎn)生一種“時空漣漪”，這種漣漪被稱為引力波。而上述新技術測量了這些信號在宇宙膨脹的過程中所發(fā)生的變化。

自上世紀90年代末以來，天文學家們就認識到宇宙正在加速膨脹，他們將這種膨脹速度定義為哈勃常數(shù)。但是，當他們根據(jù)對宇宙的觀測和現(xiàn)有的理論計算哈勃常數(shù)時，得到的值差異極大。因此，科學家們希望利用緊密的雙星黑洞并和時發(fā)生的碰撞作為“光譜警報”來提供一種哈勃常數(shù)的測量方法。解決測量哈勃常數(shù)這個緊迫的宇宙學問題，可以更詳細地揭示宇宙是如何進化的，以及它在早期的樣子。

更好地理解宇宙的演化可以幫助宇宙學家解決一些關于暗能量的關鍵謎題。暗能量約占宇宙物質和能量含量的68%,科學家們想要了解這種神秘的力量何時開始支配物質，以及這種轉換為什么會發(fā)生。

光譜警報法的核心是引力波，一種時間和空間結構中的漣漪，它由強大的宇宙事件發(fā)射，比如中子星和黑洞等巨大致密物體的碰撞和合并就可以發(fā)射引力波。

地球上，像激光干涉引力波天文臺（LIGO）、意大利的Virgo觀測臺和的KAGRA引力波探測器這樣極其敏感的激光干涉儀可以測量這些微弱的引力波信號。

自2015年9月首次探測到引力波以來，LIGO及其合作儀器已經(jīng)從大約100次遙遠的合并事件中收集到數(shù)據(jù)。它的每一次探測都為科學家們提供了一些合并涉及的黑洞大小的線索。例如，第一次引力波探測源于兩個黑洞的合并，每個黑洞的質量約為太陽質量的30倍。

新的光譜警報方法表明，引力波信號還可以攜帶其他信息。也就是說，隨著這些時空漣漪在巨大距離和長時間尺度上穿越到地球，它們的信號特性會因宇宙的膨脹而發(fā)生變化。

"例如，如果你把一個黑洞放在宇宙的早期，信號就會發(fā)生變化，它看起來會比實際更像一個更大的黑洞，"研究合作者、芝加哥大學天體物理學家丹尼爾·霍爾茲在一份報告中說道。

為了解開引力波數(shù)據(jù)中存在的宇宙膨脹率的信息，科學家需要知道信號自發(fā)射以來在太空中如何變化?；魻柶澓退耐抡J為，新發(fā)現(xiàn)的距離較近的黑洞可以作為評估變化的工具。

“因此，我們測量了附近黑洞的質量并了解了它們的特征，然后我們再觀察更遠處的黑洞，看看它們似乎發(fā)生了多大的變化，”合著者、芝加哥大學的天體物理學家何塞·瑪麗亞·埃斯基亞加在報告中說道?！斑@就給你一個宇宙膨脹的度量?！?/p>

因為引力波和光一樣，從源頭傳播到地球需要一定的時間，而探測這些來自更遙遠的黑洞的合并的波讓科學家們可以回顧時間。該研究作者表示，隨著LIGO和其他探測器變得更加強大，它們能夠收集到更遙遠的事件的引力波信號，研究人員或許有一天能夠觀察到發(fā)生在100億年前的合并，即大爆炸之后約38億年的時間——這也是研究人員認為暗能量開始主導其他物質和能量形式的時期。

"大約在那個時候，我們的宇宙從暗物質主導，轉變?yōu)榘的芰恐鲗?，我們對研究這個關鍵的轉變非常感興趣，"埃斯基亞加說。

埃斯基亞加和霍爾茲表示，測量哈勃常數(shù)的光譜警報法可能比其他技術如測量遠處超新星光頻率的變化更具優(yōu)勢。（那些方法依賴于恒星和星系物理學，涉及復雜的物理學和天體物理學知識。）

然而，這項新技術只依賴于愛因斯坦建立的引力模型——廣義相對論，并需要使用較近的黑洞作為校準工具。隨著從碰撞的黑洞中收集到更多的引力波數(shù)據(jù)，這種校準將會得到改善。

霍爾茲總結道：“我們最好能夠獲得數(shù)千個這樣的信號，這在幾年內(nèi)就可能實現(xiàn)，未來十年或二十年將會變得更多。到那時，這將是了解宇宙的一種極其強大的方法?！?/p>

BY:Robert Lea

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