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天體物理學(xué)家提出一種測(cè)量宇宙膨脹的新方法:透鏡引力波

宇宙


天體物理學(xué)家提出一種測(cè)量宇宙膨脹的新方法:透鏡引力波


當(dāng)兩個(gè)黑洞合并時(shí)，它們會(huì)釋放出引力波，當(dāng)它們到達(dá)地球時(shí)被大質(zhì)量物體聚焦，可以用來(lái)計(jì)算宇宙膨脹的速度 。鳴謝:美國(guó)宇航局戈達(dá)德太空飛行中心/斯科特·諾布爾；模擬數(shù)據(jù)，d'Ascoli等人，2018年
據(jù)加州大學(xué)圣巴巴拉分校（索尼婭·費(fèi)爾南德斯）：宇宙在膨脹；大約一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，我們已經(jīng)有了這方面的證據(jù) 。但是天體相互遠(yuǎn)離的速度仍有待討論 。
測(cè)量物體在遠(yuǎn)距離上相互遠(yuǎn)離的速度是一項(xiàng)不小的壯舉 。自從發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹以來(lái) ， 它的速率被測(cè)量和重新測(cè)量，精確度越來(lái)越高，一些最新的值從每秒67.4到每秒76.5公里/兆帕秒，這將衰退速度(以每秒公里為單位)與距離(以兆帕秒為單位)聯(lián)系起來(lái) 。
宇宙膨脹的不同測(cè)量結(jié)果之間的差異被稱(chēng)為“哈勃張力” 。有人稱(chēng)之為宇宙學(xué)危機(jī) 。但是對(duì)于加州大學(xué)圣巴巴拉分校的理論天體物理學(xué)家Tejaswi Venumadhav Nerella和他在印度班加羅爾的塔塔基礎(chǔ)研究所以及印度浦那的大學(xué)間天文學(xué)和天體物理學(xué)中心的同事來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻 。
自2015年首次探測(cè)到引力波以來(lái) ， 探測(cè)器已經(jīng)得到了顯著改善，并有望在未來(lái)幾年產(chǎn)生大量信號(hào) 。Nerella和他的同事們想出了一種方法 ， 利用這些信號(hào)來(lái)測(cè)量宇宙的膨脹，也許有助于一勞永逸地解決這場(chǎng)爭(zhēng)論 。“未來(lái)探測(cè)器的一個(gè)主要科學(xué)目標(biāo)是提供引力波事件的綜合目錄，這將是對(duì)非凡數(shù)據(jù)集的全新使用，”發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的一篇論文的合著者內(nèi)雷拉說(shuō) 。
宇宙膨脹率的測(cè)量歸結(jié)為速度和距離 。天文學(xué)家使用兩種方法來(lái)測(cè)量距離:第一種是從已知長(zhǎng)度的物體(“標(biāo)準(zhǔn)尺子”)開(kāi)始 ， 看看它們?cè)谔炜罩杏卸啻?。這些“物體”是宇宙背景輻射中的特征，或者是宇宙中星系的分布 。
第二類(lèi)方法從已知亮度的物體(“標(biāo)準(zhǔn)燭光”)開(kāi)始，利用它們的表觀亮度測(cè)量它們與地球的距離 。這些距離與更遠(yuǎn)的明亮物體的距離相關(guān)聯(lián) ， 以此類(lèi)推，形成了一系列測(cè)量方案，通常被稱(chēng)為“宇宙距離階梯”順便提一下 ， 引力波本身也可以幫助測(cè)量宇宙膨脹，因?yàn)橹凶有腔蚝诙磁鲎册尫诺哪芰靠梢杂脕?lái)估計(jì)這些物體的距離 。

天體物理學(xué)家提出一種測(cè)量宇宙膨脹的新方法:透鏡引力波


像星系這樣的大質(zhì)量物體可以彎曲合并黑洞的引力波，產(chǎn)生同一信號(hào)的多個(gè)副本，在不同時(shí)間到達(dá)地球 。信號(hào)之間的這種延遲可以用來(lái)計(jì)算宇宙膨脹 。信用:ICTS阿努格拉哈
內(nèi)雷拉和他的合作者提出的方法屬于第二類(lèi)，但使用了引力透鏡 。這是一種當(dāng)大質(zhì)量物體扭曲時(shí)空，并彎曲在物體附近傳播的各種波時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象 。研究人員表示，在極少數(shù)情況下，透鏡化可以產(chǎn)生同一引力波信號(hào)的多個(gè)副本，這些信號(hào)在不同時(shí)間到達(dá)地球——多個(gè)成像事件的信號(hào)之間的延遲可以用來(lái)計(jì)算宇宙的膨脹率 。
“我們非常清楚引力波探測(cè)器有多敏感，而且沒(méi)有天體物理學(xué)的混淆來(lái)源，所以我們可以適當(dāng)?shù)亟忉屖裁催M(jìn)入了我們的事件目錄 ， ”Nerella說(shuō) ?！靶路椒ǖ恼`差源與現(xiàn)有方法的誤差源互補(bǔ)，這使它成為一個(gè)很好的鑒別器 ?！?br>這些信號(hào)的來(lái)源將是二元黑洞:兩個(gè)黑洞相互環(huán)繞并最終合并，以引力波的形式釋放出大量能量 。我們還沒(méi)有探測(cè)到這些信號(hào)的強(qiáng)透鏡例子，但下一代地面探測(cè)器有望達(dá)到必要的靈敏度水平 。
“我們期待在未來(lái)幾年內(nèi)首次觀察到透鏡引力波，”研究合著者帕拉梅斯瓦蘭·阿吉特·庫(kù)瑪爾說(shuō) 。此外，這些未來(lái)的探測(cè)器應(yīng)該能夠看到更遠(yuǎn)的空間，探測(cè)更弱的信號(hào) 。
作者預(yù)計(jì)這些先進(jìn)的探測(cè)器將在未來(lái)十年開(kāi)始尋找合并黑洞 。他們預(yù)計(jì)將記錄來(lái)自幾百萬(wàn)個(gè)黑洞對(duì)的信號(hào)，其中一小部分(大約10，000個(gè))將由于引力透鏡作用在同一個(gè)探測(cè)器中出現(xiàn)多次 。這些重復(fù)出現(xiàn)之間的延遲分布，編碼了哈伯的膨脹率 。
根據(jù)主要作者Souvik Jana的說(shuō)法 ， 與其他測(cè)量方法不同，這種方法不依賴(lài)于知道這些二元黑洞的確切位置或距離 。唯一的要求是準(zhǔn)確地識(shí)別足夠大量的這些透鏡信號(hào) 。研究人員補(bǔ)充說(shuō) ， 對(duì)透鏡引力波的觀察甚至可以為其他宇宙學(xué)問(wèn)題提供線索 ， 例如構(gòu)成宇宙大部分能量的不可見(jiàn)暗物質(zhì)的性質(zhì) 。