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碰撞的中子星可以解决宇宙学中最大争论

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新发现的“标准警报器”提供了一种独立、合适的方法来测量宇宙膨胀速度。对于许多宇宙学家来说,中子星合并的最好之处是将宇宙另一个秘密公之于众。科学家将近期发现的两颗恒星碰撞时产生的引力波和电磁信号结合起来,以更清晰的方式确定宇宙结构的膨胀速度,这是一个颇有争议的数字:叫做哈勃常数。

中子星合并概念图。图片:Fermilab


博科园-科学科普:在宣布“中子星碰撞”即将到来的几天里,哈勃专家们惊讶地发现他们讨论的话题并非是这一事件能否解决这场争论,但很快就会证明这一点。   自1929以来,科学家们就宇宙膨胀率进行了激烈的争论,当时美国天文学家埃德温哈勃首次确定宇宙正在膨胀,争端也就此开始。


宇宙膨胀的速度反映了它内部(因为物质、暗能量和辐射以不同的方式推动和拉扯宇宙)和宇宙的年龄,于是哈勃常数的值对于理解宇宙学其余部分是至关重要的。   然而,两种最精确的测量方法却得出了不同答案。芝加哥大学卡夫利宇宙物理研究所的丹·斯科尼克说:奇怪的8%差异是目前是宇宙学中最大张力。这种不匹配可能是宇宙学家没有考虑影响宇宙演化的重要细节线索。


但是,如果是这样的话,宇宙学家需要对测量过程进行独立的检查。芝加哥大学的一位天体物理学家丹尼尔·霍尔茨和参加新哈伯测量的莱戈在一封电子邮件中说:第一次碰撞给了我们一张宇宙的座次表,当得到更多的信息时,可以期待它在这个领域发挥重要作用。

图片: DOI:10.1038/nature24471


在一个不断膨胀的宇宙中,天体的位置越远,就越快退缩(远离速度越快),哈勃常数表示这速度要快得多,埃德温哈勃估计,星系以每秒500公里的速度移动(一个百万秒差距大约是330万光年)数值为50/100s·Mpc,这是一个粗略的估算;到了1970年代,天体物理学家们所青睐哈勃常数值更精确了。由于误差减小,这些阵营达成和解。然而在过去一年半的时间里,哈勃事件再次升温。这一次67/73s·Mpc。


更高的73s·Mpc估算来自于观测大量的天体,并估计每一个天体的距离和速度。通过观察“红移”,相对而言这能更容易地看到恒星或星系的y远离速度。一种颜色变红与救护车的警笛声在音高中有所下降有异曲同工之妙。物体“特有的速度”被改变是由于在其附近天体的引力所影响的原因。随着宇宙的膨胀,留下了它远离的速度。

丹尼尔·霍尔茨是芝加哥大学的天体物理学家,也是与莱戈合作的成员,他帮助开发了利用中子星合并来测量宇宙膨胀的技术。图片:Robert Kozloff/University of Chicago


然而,从历史上看,已经证明了测量物体距离的难度,这是计算哈勃常数所需的其他数据点。为了测量距离有多远,天文学家在一个“宇宙距离阶梯”上建立了梯级,每个梯级都校准更远的梯级。首先通过银河系中恒星距离来推算恒星的距离——恒星在一年中穿越天空的明显运动。有了这些信息,天文学家可以推断出所谓的造父星的亮度,它被称为“标准光源”,因为它以已知的内在亮度发光。


然后在附近的星系中发现这些造父星,并用它们来计算星系的距离。接下来,造父变星被用来校准Ia超新星的距离——甚至在遥远的星系中可以看到更明亮更稀罕的标准光源。每次从一个梯级到下一个梯级时都会有计算失误的危险出现。然而2016年一个被称为SHOES的小组使用宇宙距离梯形方法将哈勃常数固定在73.2s·Mpc(精确度为2.4%)。


在同一年发表的一篇论文中,一个团队使用了普朗克望远镜对早期宇宙进行观测,获得了当前宇宙膨胀率的67.8s·Mpc的值(1%的精确度)。普朗克团队一直被称为宇宙微波背景(CMB)微弱光线的开拓者,这揭示了宇宙在大爆炸后380000年的关键时刻。CMB快照描绘了一个简单的、几乎平滑充满等离子体的年轻宇宙;所有不同波长的引力波在等离子体中荡漾,挤压和拉伸,并在不同的尺度上产生微妙的密度变化。


在CMB中记录的时刻,从大爆炸到达零振幅并且暂时消失时,具有特定波长的引力波将只承受波动的适合部分,并在其相关长度尺度上产生平滑的等离子体密度。同时其他波长引力波在临界时刻波动幅度恰好达到峰值,拉伸和挤压等离子体到尽可能的程度,并在其相关的尺度上产生最大的密度变化。


在不同尺度上的密度变化中的波峰和波谷,可以由像普朗克这样的望远镜拾取并被绘制为“CMB功率谱”,实际上这编码了关于年轻宇宙的一切。尤其是哈勃常数,可以通过测量峰之间的距离进行重建。加州理工大学的理论物理学家Leo Stein解释说:这是一个几何效应,宇宙膨胀得越多,来自CMB的光通过膨胀的时空时会越弯曲,会看到这些波峰会越靠越近。

图片:ESA and the Planck Collaboration


大自然的其他特性也影响了波峰值的形状,比如无形注入宇宙的“暗能量”。因此,普朗克科学家必须对所有其他宇宙学参数作出假设,以达到哈勃常数的67s·Mpc的估计值。芝加哥大学的天体物理学家温迪·弗里德曼和宇宙距离阶梯法的先驱说:两个哈勃测量的相似性“令人惊讶”,然而它们的误差边缘并没有重叠。宇宙膨胀的速度比你想象的要快百分之八,这是基于它在青年时期的样子以及我们是如何期待它演化的的。” 


67/72s·Mpc的差异可以归结为一方或双方的未知误差。或者这种误差可能是真实和重要的,这表明普朗克团队从早期宇宙到现在的外推遗漏了一种可以改变了历史进程,并导致了比预期更快膨胀率的宇宙成分。举个例子,如果假设第四种中微子在早期宇宙中遍布,这将增加辐射压力并影响CMB峰值宽度;或者是暗能量,其排斥引力会加速宇宙的膨胀,可能随着时间的推移宇宙变得越来越密集。


突然间,中子星的碰撞出决定性的选择


麻省理工学院的霍尔茨和史葛休斯在2005篇论文中称之为“标准警笛”,这是20年前伯纳德·舒茨的作品。它们通过不被气体或灰尘所暗淡的时空向外传播涟漪。正因为如此,引力波传递了碰撞强度的清晰记录,这使得科学家能够“直接推断出与光源的距离”,霍尔兹解释道:没有距离梯,天文校准并没有那么容易被理解。你可以听到“碰撞”时的声音有多大,以及声音是如何随时间变化的,以此可以直接推断出它们之间的距离有多远。


因为天文学家也能从中子星碰撞中探测电磁波,所以他们可以用红移来确定合并恒星的退缩速度,退避速度除以距离得到哈勃常数。从第一次中子星碰撞,霍尔茨和数百个合作者计算哈勃常数为70s·Mpc。不确定的主要来源是合并中子星相对于LIGO探测器的未知角度和方向,这影响了信号的测量振幅。在宇宙距离阶梯与宇宙微波背景哈勃估计之间,可以很容易地倒向一方或另一方。


随着未来几年听到更多标准警笛声,测量的准确性将稳步提高,尤其是LIGO在灵敏度方面继续攀升。霍尔兹的说法:大约每10个这样的事件,会有1%的误差,但他强调这是一个初步和有争议的估计。里斯认为这需要30多个标准警警笛事件才能达到这一水平。弗雷德曼说:我认为这个方法有可能成为一个游戏改变者。


SHOES的斯科尼克说:团队和普朗克的测算能力是如此强大,以至于标准警笛方法不需要到达1%而博人眼球。随着越来越多的标准警报响起,他们将一次又一次地验证哈勃常数,并确定膨胀率是否符合基于年轻宇宙的预期。霍尔兹激动不已地说道:我将献出我生命的最后十年,希望能绘制出一幅关于哈勃标准警笛的蓝图,一定非常漂亮。


博科园-科学科普|文:Natalie Wolchover/Quanta magazine

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