天体物理学家提出了一种测量宇宙膨胀的新方法

宇宙正在膨胀;大约一个世纪以来我们已经掌握了这方面的证据。但天体彼此远离的速度究竟有多快仍然存在争议。

测量物体远距离相互远离的速度并不是一件容易的事。自从发现宇宙膨胀以来，人们对它的速度进行了测量和重新测量，精度不断提高，一些最新值的范围从每兆秒差距每秒 67.4 到 76.5 公里，这将退行速度(以公里每秒为单位)与距离(以兆秒差距为单位)。

宇宙膨胀的不同测量之间的差异称为“哈勃张力”。有些人称之为宇宙学危机。但对于加州大学圣巴巴拉分校的理论天体物理学家来说对于印度班加罗尔塔塔基础研究所和印度浦那大学间天文学和天体物理学中心的Tejaswi Venumadhav Nerella及其同事来说，这是一个激动人心的时刻。

自 2015 年首次探测到引力波以来，探测器已得到显着改进，并有望在未来几年产生大量信号。内雷拉和他的同事们提出了一种利用这些信号来测量宇宙膨胀的方法，或许有助于一劳永逸地解决这场争论。“未来探测器的一个主要科学目标是提供引力波事件的综合目录，这将是对这一非凡数据集的全新用途，”发表在《科学》杂志上的一篇论文的合著者内雷拉说。物理评论快报。

宇宙膨胀率的测量归结为速度和距离。天文学家使用两种方法来测量距离：第一种方法是从已知长度的物体(“标准尺”)开始，观察它们在天空中的大小。这些“物体”是宇宙背景辐射的特征，或者是宇宙中星系分布的特征。

第二类方法从已知光度的物体(“标准蜡烛”)开始，并利用其表观亮度测量它们与地球的距离。这些距离与更远的明亮物体的距离等相关，从而建立了一系列测量方案，通常被称为“宇宙距离阶梯”。顺便说一句，引力波本身也可以帮助测量宇宙膨胀，因为中子星或黑洞碰撞释放的能量可以用来估计到这些物体的距离。

内雷拉和他的合著者提出的方法属于第二类，但使用引力透镜。这是当大质量物体扭曲时空并弯曲在物体附近传播的各种波时发生的现象。研究人员表示，在极少数情况下，透镜效应可以产生同一引力波信号的多个副本，这些信号在不同时间到达地球——多个成像事件的信号之间的延迟可用于计算宇宙的膨胀率。

内雷拉说：“我们非常了解引力波探测器的灵敏度，并且不存在天体物理学的混乱来源，因此我们可以正确解释事件目录中的内容。” “新方法的误差源与现有方法是互补的，这使得它成为一个很好的鉴别器。”

这些信号的来源将是双黑洞：两个黑洞相互绕转并最终合并的系统，以引力波的形式释放大量能量。我们尚未检测到这些信号的强透镜示例，但下一代地面探测器预计将具有必要的灵敏度水平。

研究合著者帕拉米斯瓦兰·阿吉斯(Parameswaran Ajith)表示：“我们预计将在未来几年内首次观测到透镜引力波。” 此外，这些未来的探测器应该能够看到更远的太空并检测到较弱的信号。

作者预计这些先进的探测器将在未来十年内开始寻找合并黑洞。他们预计会记录来自几百万个黑洞对的信号，其中一小部分(约 10,000 个)由于引力透镜效应将在同一探测器中多次出现。这些重复出现之间的延迟分布编码了哈勃膨胀率。

主要作者苏维克·贾纳 (Souvik Jana) 表示，与其他测量方法不同，该方法不依赖于了解这些双黑洞的确切位置或距离。唯一的要求是准确识别足够多的这些透镜信号。研究人员补充说，对透镜引力波的观测甚至可以为其他宇宙学问题提供线索，例如构成宇宙大部分能量的不可见暗物质的性质。