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通过黑洞合并产生的引力波，探索宇宙的演化

发布者：自由知新 2024-3-5 18:19

“光谱警报”方法表明，研究大质量和致密宇宙物体之间的合并有助于人们理解宇宙是如何演化的。

黑洞合并引力波发射的例子。(图片来源: ESA)

研究人员可能已经找到了一种利用黑洞碰撞来测量宇宙膨胀速率并解开有关暗能量的一些谜团的方法。暗能量是一种神秘的力量，推动着宇宙的加速膨胀。

黑洞的剧烈合并会产生一种“时空涟漪”，这种涟漪被称为引力波。而上述新技术测量了这些信号在宇宙膨胀的过程中所发生的变化。

自上世纪90年代末以来，天文学家们就认识到宇宙正在加速膨胀，他们将这种膨胀速度定义为哈勃常数。但是，当他们根据对宇宙的观测和现有的理论计算哈勃常数时，得到的值差异极大。因此，科学家们希望利用紧密的双星黑洞并和时发生的碰撞作为“光谱警报”来提供一种哈勃常数的测量方法。解决测量哈勃常数这个紧迫的宇宙学问题，可以更详细地揭示宇宙是如何进化的，以及它在早期的样子。

更好地理解宇宙的演化可以帮助宇宙学家解决一些关于暗能量的关键谜题。暗能量约占宇宙物质和能量含量的68%,科学家们想要了解这种神秘的力量何时开始支配物质，以及这种转换为什么会发生。

光谱警报法的核心是引力波，一种时间和空间结构中的涟漪，它由强大的宇宙事件发射，比如中子星和黑洞等巨大致密物体的碰撞和合并就可以发射引力波。

地球上，像激光干涉引力波天文台（LIGO）、意大利的Virgo观测台和日本的KAGRA引力波探测器这样极其敏感的激光干涉仪可以测量这些微弱的引力波信号。

自2015年9月首次探测到引力波以来，LIGO及其合作仪器已经从大约100次遥远的合并事件中收集到数据。它的每一次探测都为科学家们提供了一些合并涉及的黑洞大小的线索。例如，第一次引力波探测源于两个黑洞的合并，每个黑洞的质量约为太阳质量的30倍。

新的光谱警报方法表明，引力波信号还可以携带其他信息。也就是说，随着这些时空涟漪在巨大距离和长时间尺度上穿越到地球，它们的信号特性会因宇宙的膨胀而发生变化。

"例如，如果你把一个黑洞放在宇宙的早期，信号就会发生变化，它看起来会比实际更像一个更大的黑洞，"研究合作者、芝加哥大学天体物理学家丹尼尔·霍尔兹在一份报告中说道。

为了解开引力波数据中存在的宇宙膨胀率的信息，科学家需要知道信号自发射以来在太空中如何变化。霍尔兹和他的同事认为，新发现的距离较近的黑洞可以作为评估变化的工具。

“因此，我们测量了附近黑洞的质量并了解了它们的特征，然后我们再观察更远处的黑洞，看看它们似乎发生了多大的变化，”合著者、芝加哥大学的天体物理学家何塞·玛丽亚·埃斯基亚加在报告中说道。“这就给你一个宇宙膨胀的度量。”

因为引力波和光一样，从源头传播到地球需要一定的时间，而探测这些来自更遥远的黑洞的合并的波让科学家们可以回顾时间。该研究作者表示，随着LIGO和其他探测器变得更加强大，它们能够收集到更遥远的事件的引力波信号，研究人员或许有一天能够观察到发生在100亿年前的合并，即大爆炸之后约38亿年的时间——这也是研究人员认为暗能量开始主导其他物质和能量形式的时期。

"大约在那个时候，我们的宇宙从暗物质主导，转变为暗能量主导，我们对研究这个关键的转变非常感兴趣，"埃斯基亚加说。

埃斯基亚加和霍尔兹表示，测量哈勃常数的光谱警报法可能比其他技术如测量远处超新星光频率的变化更具优势。（那些方法依赖于恒星和星系物理学，涉及复杂的物理学和天体物理学知识。）

然而，这项新技术只依赖于爱因斯坦建立的引力模型——广义相对论，并需要使用较近的黑洞作为校准工具。随着从碰撞的黑洞中收集到更多的引力波数据，这种校准将会得到改善。

霍尔兹总结道：“我们最好能够获得数千个这样的信号，这在几年内就可能实现，未来十年或二十年将会变得更多。到那时，这将是了解宇宙的一种极其强大的方法。”

BY:Robert Lea

FY: MeV

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黑洞宇宙地球物理技术芝加哥大学

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