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黑洞相撞,时空扭曲,“暗黑”引力波或将拨开宇宙膨胀迷云?

来源:天文在线    2021-07-20  赞(2)  评论(0)

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近日,一科研团队提出利用一种被称为“暗黑警铃”(Dark Siren)的引力波事件来解决宇宙科学上一大危机的方法。

图解:随时间推移拍摄的一颗造父变星(类似宇宙的灯塔,可被应用于测量宇宙膨胀)。图源:美国国家航空航天局 / 欧洲航天局 / 空间望远镜研究所(NASA / ESA / STScI/AURA)

近年来,宇宙学家正面临着一种危机:尽管他们知道我们的宇宙正在膨胀,大家却不能在其膨胀速度上达成一致。这是因为目前有多种方法测量哈勃常数(Hubble Constant),一种描述宇宙膨胀的基本参数,而各种方法得到的结果却相互矛盾。不过最近一次对“暗黑警铃”的幸运的观测也许能够缓解这个紧张的局面——相对于“标准警铃”,“暗黑警铃”是指在黑洞或中子星相撞融合时可被地球上的引力波检测装置捕捉到的信号,然而该过程却不能用普通望远镜观测。

随着宇宙膨胀,我们周围的星系会远离我们而去,其速度取决于它们与我们之间的距离。而这种速度与距离的关系就被称作哈勃常数,它被冠以美国天文学家埃德温∙哈勃的姓名,因为他于19世纪20年代首次计算了该常数的数值。而在现代,通过对我们所在区域的宇宙中一种闪烁的恒星——造父变星的观测,一些研究人员对哈勃常数进行了更高精度的准确测量。

但是,一种利用宇宙微波背景(CMB)——大爆炸38万年后遗留的热辐射——的方法却给出了截然不同的答案,这也让一众宇宙学家抓耳挠腮、不得其解。而一位来自宾夕法尼亚州立大学的物理学家索拉布∙伯罕尼在接受网站采访时说到:“引力波或许可以为我们提供测量哈勃常数的不同方法。”

当大质量的物体,比如黑洞或者中子星相撞时,它们会扭曲周围的时空结构并发出引力波。自从2005年以来,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)及位于欧洲的相应机构室女座干涉仪(Virgo)就在监听类似的大质量物体碰撞,碰撞发出的引力波使让它们的探测器响应,就像响铃一样。取决于碰撞发生的位置与地球之间的距离,LIGO会检测到或响或弱的信号,科学家据此便可计算事件发生地点与我们的距离。

某些情况下,这些重物之间的撞击也会发出可被天文望远镜捕捉的闪光,而这也可揭露一些信息,并被用来测量它们远离我们的速度。迄今为止,科学家只观测到一次引力波与光信号同时存在的碰撞。该事件发生于2017年,两颗中子星相互碰撞,不仅其引力波被LIGO捕捉,碰撞时的光亮也曾被不同地点的望远镜观测到。利用这次事件,物理学家也计算出了一个哈勃常数的数值,“尽管该测量的误差值却大到能够涵盖用造父变星和宇宙微波计算的两个出的两个不同的数值”伯罕尼如是说到,“先行工作显示,科学家们至少需要观测50次类似的稀有事件,才能得到一个比较精确的哈勃常数。”

“暗黑警铃”就可以提供一个更快捷的路线:这种碰撞不会发出闪光,而闪光中正包含着有关速度的至关重要的信息,此类碰撞对我们来说几乎是隐形的——如果不是它们还会发出引力波的话——只有LIGO以及同类的引力波检测装置才能发现该类碰撞事件。在未来5年中,LIGO的探测器会进一步升级,这样它们就能检测到更多引力波信号的细节,同时也能够发现更多的引力波事件,包括更多的“暗黑警铃”。

美国与欧洲的引力波探测机构最近又多了一位新的合作伙伴——来自日本的神冈引力波探测仪(KAGRA),而位于印度的探测器也会于2024年上线。如伯罕尼所说,“终有一天,该引力波探测网络将会为我们指出哪片天空的宇宙中刚刚发生了碰撞事件,其精准度将比现行的任何方法要高上400倍[1]”。有了这些信息,天文学家就可以精确指出碰撞事件在某个星系发生的具体位置,并计算出该星系远离地球的速度,而碰撞事件发出的闪光也就显得可有可无了。

伯罕尼以及他的团队发现,当两个天体发生碰撞,而其引力波信号特别的“响、深沉”,或天体本身质量上有明显差异时,其信号所携带的信息也更加丰富,他们将这类事件称为“黄金暗黑警铃”,这类事件或许可以提供极好的数据,甚至是能够确定引力波撞击的数据,并允许他们精准地计算哈勃常数的数值。“一次这类的事件对我们来说就足够了,而不是之前提到的50次光学探测器可见的引力波事件,这或许有足够的分量能让整个宇宙学团体在两种测量方法中做出选择。”伯罕尼会在4月18日的美国物理学会四月会议上发表其团队的发现。

图解:在虑到LIGO的规模,想要在一张照片中展示整个干涉仪装置是极度困难的。上图展示了位于汉福德的LIGO装置,它的Y臂一直延申进沙漠,与此同时图片中仅能展示X臂的一小部分。图片中还标识了Y臂的中间站和终点,由于距离实在太远,它们之间的真实距离在图片中被镜头扭曲了。图源:加州理工学院 / 麻省理工学院 / LIGO实验室(CalTech / MIT / LIGO Lab)

一些非研究团队成员也对“暗黑警铃”的巨大潜能发表了评价。由于提供了通过纯物理的方法来测量距离的可能——它们“极其特别,纯粹且非常吸引人”LIGO小组成员、来自位于伊利诺伊州埃文斯通的西北大学的引力波天文学家玛雅∙菲什巴赫如此描述到,“该小组的研究结果表明,LIGO及其世界范围内共同协作的干涉仪设备会在不远的将来观测到越来越多的精准定位的“警铃”事件。但我们不能排除一种可能性,那就是其他测量方法在此之前就解决哈勃常数之争的危机。”尽管如此,菲什巴赫对于引力波宇宙学的潜力依然感到非常兴奋——在未来它或许可以解决许多基础的问题,比如一种加速宇宙膨胀的神秘物质——暗能量的本质和其细节。

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