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研究人员开发了一种新方法，通过分析来自无数黑洞并合事件的微弱引力波背景来测量宇宙的膨胀速率。该技术有望在探测器灵敏度不断提升的过程中，助力解决长期存在的哈勃常数争议问题。
来自黑洞并合的微弱引力波嗡鸣可能有助于解决宇宙膨胀速率之争。
天文学家已认识到宇宙正在膨胀，这一认识已有数十年之久。为测定当前宇宙的膨胀速率，研究人员测量一个被称为哈勃常数的物理量。测定该常数的方法有多种，由于这些方法均基于相同的物理规律，其结果理应相互一致。然而，基于早期宇宙观测所得的结果与基于较晚近宇宙观测所得的结果之间存在差异。这种差异被称为哈勃张力，至今仍是宇宙学中最重要的未解问题之一。
展开剩余82%来自伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校格兰杰工程学院与芝加哥大学的一组天体物理学家和宇宙学家，提出了一种利用引力波——即时空中的微小涟漪——来估算哈勃常数的新方法。该方法提升了此前基于引力波技术的测量精度。随着未来探测器灵敏度的不断提高，这一策略有望实现更精确的测量，从而有助于厘清哈勃张力的成因。
从大爆炸（起始位置在左侧）到当今宇宙的膨胀示意图。资料来源：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心
伊利诺伊大学物理学教授尼古拉斯尤内斯表示：这一结果意义重大——通过独立测量哈勃常数，有助于解决当前的哈勃常数张力问题。我们的方法是一种创新手段，可提升利用引力波推断哈勃常数的精度。尤内斯是位于厄巴纳校区的伊利诺伊大学先进宇宙学研究中心（ICASU）的创始主任。
芝加哥大学物理学与天文学及天体物理学教授、该研究的共同作者丹尼尔霍尔茨表示：并非每天都能提出一种全新的宇宙学研究工具。我们证明，通过利用遥远星系中黑洞并合所产生的引力波背景‘嗡鸣’，可以探知宇宙的年龄与物质组成。这是一条令人振奋且完全崭新的研究路径，我们期待将这一方法应用于未来的观测数据，以更精确地限定哈勃常数及其他关键宇宙学参数。
该研究团队还包括伊利诺伊大学物理系博士生布莱斯康宁斯（BryceCousins），他是一名美国国家科学基金会研究生研究员，也是本研究的第一作者；伊利诺伊大学物理系博士生克里斯滕舒马赫（KristenSchumacher），同样为美国国家科学基金会研究生研究员；伊利诺伊大学物理系博士后研究员关家伟（KawaiAdrianChung）；以及芝加哥大学博士后研究员科尔姆塔尔博特（ColmTalbot）和托马斯卡利斯特（ThomasCallister），二人均为卡弗里宇宙物理研究所博士后研究员。该论文已被《物理评论快报》接受发表。
科学家如何测量宇宙膨胀
自20世纪初以来，测量宇宙膨胀速率的研究主要沿着两条路径展开：一类基于电磁波观测，另一类基于引力波观测。其中一种广泛应用的电磁波方法依赖于标准烛光，例如超新星——这类明亮的恒星爆发事件。由于科学家对这类爆发本身固有的光度具有较准确的认识，因而能够据此推算出它们与地球之间的距离，以及它们远离我们的速度。将这两项测量结果结合，便可揭示宇宙当前的膨胀速率。
引力波的发现开辟了观测宇宙的第二条途径。这些引力波由极端致密天体（包括黑洞）发生并合时产生，以光速向外传播，其方式类似于石子投入水中后激起的涟漪。在地球上，LIGOVirgoKAGRA（LVK）合作组织——一个拥有两千余名成员的全球性科研合作项目——运行着用于探测此类信号的观测设备。
如果所有测量方法都完全一致，它们将得出相同的哈勃常数。而目前不同方法所得结果存在差异，表明现有宇宙学模型中可能存在尚未被纳入的因素。可能的解释包括：早期暗能量——一种假想的物理成分，可能在宇宙早期影响了膨胀速率；暗物质（构成宇宙中绝大部分物质）与中微子之间的相互作用；或暗能量随时间演化的性质与当前模型假设有所不同。
引力波背景与随机标准烛光法
由于我们观测到了单个黑洞并合事件，因此可以推算出这类并合事件在整个宇宙中发生的频率。基于这些频率，我们预计还存在大量无法被当前探测器直接分辨的并合事件，它们共同构成了引力波背景。科辛斯解释道。
研究人员指出，若哈勃常数较小，则可观测宇宙所涵盖的总体积也会减小。此时，黑洞并合事件将被压缩在更小的空间区域内，从而增强引力波背景的整体强度。若这一增强的背景未被探测到，便实际上排除了宇宙膨胀速率较慢的可能性。
他们将这种方法称为随机警报法，以体现促成背景信号的并合事件所具有的随机性。
利用现有的LVK数据，研究团队证明，即使尚未直接探测到引力波背景，也能对宇宙极为缓慢的膨胀情景施加限制。当他们将这一方法与单个黑洞并合事件的测量结果相结合时，获得了更为精确的哈勃常数估计值。该结果落在与哈勃张力相关的数值区间内，表明该方法能够有效提升宇宙学参数的测量精度。
随着引力波观测台持续升级，这一技术有望变得更为强大。科学家预计，引力波背景信号有望在可预见的未来被探测到。在此期间，对背景信号所设定的上限将不断收紧，从而进一步约束哈勃常数的可能取值范围。
这应能为未来应用该方法铺平道路，随着我们不断提升灵敏度、更好地限制引力波背景，甚至可能实现对其的探测，柯津斯表示，通过纳入这些信息，我们有望获得更精确的宇宙学结果，并更接近解决哈勃张力问题。
天体物理学引力波背景对哈勃常数的测量 作者：布莱斯卡辛斯、克里斯滕舒马赫、阿德里安卡怀钟、科尔姆塔尔博特、托马斯卡利斯特、丹尼尔E霍尔茨、尼古拉斯尤内斯 已获《物理评论快报》接受发表 DOI：10.11034lzhbm7y
该分析使用伊利诺伊大学校园集群完成，该集群由伊利诺伊大学校园集群计划与美国国家超级计算应用中心合作运营。
BY: University of Illinois Grainger College of Engineering
FY: AI
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