如何利用引力波來測量哈勃常數_風聞

中子星合併在時空結構中引起可探測的漣漪，稱為引力波。

2017年8月17日上午，遙遠宇宙發生的一場巨大撞擊事件產生的餘波終於在經過一億多年的旅行後抵達了地球。

這種沿着時空結構盪漾開來的漣漪，被稱為引力波，當這微弱的空間起伏引發LIGO的超靈敏探測器發出警報後，全球相關研究領域的科學家都興奮了，其中之一便是芝加哥大學的丹尼爾·霍爾茨（Daniel Holz）教授。這一發現為他提供了急需的信息，可以為天體物理學中一個最重要的參數進行精確測量：哈勃常數，即宇宙膨脹的速率。

通過哈勃常數，可以解答宇宙的尺度及年齡等問題。

我們知道宇宙一直在膨脹，但科學家們驚異地發現，宇宙膨脹的速度不但沒有隨時間的推移而降低，反而是在加速。當他們試圖獲取精確的宇宙膨脹速率時，測量這個膨脹速率的不同方法卻產生了不同的結果。

這兩種測量方法分別是通過檢測並對比遙遠星系中超新星爆發的亮度，以及通過觀察宇宙大爆炸殘留的微波背景的微小波動來計算哈勃常數。二十年來，相關領域的科學家努力提高測量的精度，並排除或結合任何可能影響結果的因素，但分別得到的兩個數值仍然頑固地存在近10％的差異。

現在有了第三種全新的、完全獨立的方式來解決這個天文學中最緊迫的問題，或許它還能彌補我們的宇宙模型中存在某些缺陷。霍爾茨教授當然會為此興奮。

因為超新星方法只能測量相對較近的事件，而宇宙微波背景產生的時間又過於古老，所以兩種方法得到的結果都是正確的，那是基於宇宙的不同狀態與階段而得到的結果。

如果這兩種方法中的某一個或兩個都不存在系統性錯誤，或許它們實際反映了我們當前的宇宙模型中缺少一些對宇宙的基本認識，霍爾茨認為這是有可能的。

霍爾茲找到了第三種獨立的測量哈勃常數的方法，但這取決於運氣和極尖端的工程技術。

早在2005年，霍爾茲便與麻省理工學院的斯科特·休斯發表過一篇論文，建議結合引力波與光波來計算哈勃常數。因此這種方法依賴LIGO這樣巨大且極其敏感的引力波探測器。

2017年8月17日的引力波來自兩顆質量巨大的中子星，它們在一個遙遠的星系中相互環繞並最終以接近光速猛烈撞擊在一起。這次碰撞發出的引力波在宇宙中傳播，並釋放出光輻射，分別被LIGO及地球或軌道上的光學望遠鏡捕獲。

這一道引力波及輻射讓科學家陷入了眩暈狀態。雖然再此之前LIGO已經獲得過幾次引力波事件的數據，但那些都是由兩個黑洞的合併引發的，這種事件光學望遠鏡是無法觀測的。

但這次居然是兩個中子星的合併事件，引力波與光波的結合打開了一扇新的科學財富大門，其中就包括霍爾茲計算哈勃常數所需的兩條重要信息。

為了對哈勃常數進行測量，首先需要知道引力波事件發生的地點與地球之間的距離有多遠。然後便可以利用一個非常簡單的等式H=v/d來計算出哈勃常數，即哈勃常數為天體的移動速度除以距該天體的距離。

這好像有點違反直覺，對吧，最容易計算的部分反而是天體的移動速度？

原因在於：由於中子星碰撞發出明亮的餘輝，天文學家可以利用望遠鏡精確定位它們所在的星系位置。然後利用紅移現象，通過測量星系的光譜顏色，來估算星系離開我們的速度。對於天文學家來説，這是一個已經使用了上百年的簡單伎倆。

真正困難的是準確測量出距離，這就體現了引力波探測的重要性。LIGO獲取的信號被轉換為如下曲線：

圖片來源：LIGO

通過對信號的解析，科學家可知這兩個中子星的質量及碰撞釋放的能量有多大。通過比較它們到達地球時的引力波強度，可以推斷出它們距離我們有多遠。

利用這一方法得到的哈伯常數為70(km/s)/Mpc，介於之前兩種方法得到的結果之間，它們分別是73（來自超新星方法）與67（來自宇宙微波背景）。

當然，這只是通過一次觀測數據得到的結果。LIGO在升級後提高了靈敏度，雖然無法預測宇宙中中子星合併的頻率，不過隨着時間推移，必將觀測到越來越多的中子星合併事件，並逐漸提高哈勃常數的精度。

在未來，天文學家也許會找到另一種新的方法繼續提高這個重要常數的精度。

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觀察者：@酆都御史 | 微信公眾號：大好山水中人 | 頭條號：心繫宇宙天地寬