芝加哥大学天文学家提出用黑洞碰撞数据来测量宇宙扩张的速度

时间:2022-11-27 点击: 作者:江东过客

芝加哥大学天文学家提出用黑洞碰撞数据来测量宇宙扩张的速度

芝加哥大学天文学家提出用黑洞碰撞数据来测量宇宙扩张的速度

芝加哥大学天文学家提出用黑洞碰撞数据来测量宇宙扩张的速度

据cnBeta:宇宙是如何进化的?芝加哥大学的天文学家提出了“spectral siren”的方式,来探索这个问题的答案。黑洞就像是宇宙中的“回收站”,而科学家希望通过某种技巧收集这些消失的宇宙信息,从而揭示宇宙历史的奥秘。

在最新的一项研究中,两名芝加哥大学的天文学家,提出了一种使用多组黑洞碰撞时观测到的数据,来测量宇宙扩张的速度。理论上这有助于帮助天文学家理解宇宙是如何进化的、宇宙是由哪些东西组成的,以及宇宙未来的发展趋势。

尤其要指出的是,这两位天文学家认为这项名为“Spectral siren”的新技术,或许能够揭示宇宙中难以捉摸的“青少年”时代的细节。

宇宙膨胀的速度一直是重大的科学辩论主题,它在学术界也称之为“哈勃常数”(Hubble Constant)。但目前宇宙膨胀率的测量方式有很多种,但得出的结果略有不同。

为了帮助解决这一冲突,科学家们渴望找到衡量这一比率的替代方法。验证这个数字的准确性尤其重要,因为它会影响我们对宇宙年龄、历史和构成等基本问题的理解。

这项新的研究提供了一种更新奇的方式,使用特殊的探测器来捕捉黑洞碰撞的宇宙回声。

有时候两个黑洞会互相撞击,从而在时空中产生了一道穿越宇宙的涟漪。在地球上,美国激光干涉引力波天文台 (LIGO) 和意大利 Virgo 天文台可以拾取这些涟漪,这些涟漪被称为引力波(gravitational waves)。

在过去几年时间里,LIGO 和 Virgo 已经观测到了将近 100 起黑洞撞击事件。

每次碰撞产生的引力波信号都包含有关黑洞质量的信息。然而,信号一直在穿越太空,在此期间宇宙已经膨胀,这改变了信号的特性。该论文的两位作者之一,芝加哥大学天体物理学家丹尼尔·霍尔兹(Daniel Holz)解释说:“例如,如果你把一个黑洞放在宇宙的早期,它的信号会发生变化,它看起来像一个比实际更大的黑洞”。

而这种方式可能提供了一个独特的窗口,用于观察其他测量手段无法观察到的宇宙“青少年”时期。

如果科学家们能够找到一种方法来测量该信号如何变化,他们就可以计算出宇宙的膨胀率。问题是校准:他们怎么知道它与原来的变化有多大?

在他们的新论文中,Holz 和第一作者 Jose María Ezquiaga 建议他们可以使用我们关于整个黑洞种群的新知识作为校准工具。例如,目前的证据表明,大多数检测到的黑洞的质量是太阳质量的 5 到 40 倍。

美国宇航局爱因斯坦博士后研究员和卡夫利宇宙物理研究所研究员 Ezquiaga 说:“所以我们测量附近黑洞的质量并了解它们的特征,然后我们再往远处看,看看那些更远的黑洞似乎发生了多大的变化,这可以让你测量宇宙的膨胀”。相关报道:研究黑洞如何相撞将能帮助解决一个天文学争议

据cnBeta:CNET报道,2019年,在加利福尼亚州卡弗里理论物理研究所(KITP)举行的一次会议以一个充满矛盾的声明结束:“我们不会称其为紧张或问题,而是称其为危机。”KITP的前主任、粒子物理学家David Gross谈到了我们的宇宙膨胀的速度。但 Gross并不担心膨胀本身。几十年来,科学家们已经知道宇宙正在以指数方式膨胀,因为我们星球周围的天体不断地远离我们和彼此。

为了确定这种宇宙转变到底有多快,科学家们必须计算出一个重要的数值,即哈勃常数--然而,即使在今天,也没有人能够就这个答案达成一致。

因此,天文学界弥漫着一种"危机",但这是一种摇篮式创新的困境。自从那次紧张的会议以来,各地的专家们已经鲜明地调整了他们看待哈勃常数方程的方式,以试图恢复观星者之间的和平。

周一,一个这样的团队提出了一个非同寻常的想法来解决争端,正如8月3日发表在《物理评论快报》上的一篇论文中所概述的那样。

基本上,来自芝加哥大学的天文学家认为,当潜伏在深空的黑洞相互撞击时(它们有时会这样做),引力“巨兽”会在空间和时间结构中产生回响,可能会留下对解码哈勃常数至关重要的信息痕迹。

最终,如果科学家们能够弄清真正的哈勃常数,他们也可以得出关于我们宇宙的一些真正的大问题的答案,比如。它是如何演变到我们今天看到的令人惊叹的领域的?它在物理上是由什么构成的?在数十亿年后,在人类不复存在,因此无法关注它的时候,它可能是什么样子?

每隔一段时间,两个巨大的黑洞就会发生碰撞。这意味着两个宇宙中最难以理解的巨大天体结合成一个更加难以理解的巨大天体。

当这种情况发生时,合并会在空间和时间结构中产生涟漪--正如爱因斯坦的广义相对论所提出的那样--就像在池塘中扔下一块石头会在水中产生涟漪一样。

就在Gross和其他物理学家对哈勃常数难题进行紧张辩论的四年前,两个强大的观测站成功地从地球上捕捉到了这些黑洞引起的涟漪。它们被称为美国的激光干涉仪引力波观测站(LIGO)和意大利处女座干涉仪(Virgo)。

在过去的几年里,LIGO和Virgo都检测到了来自近100对黑洞碰撞的涟漪,根据芝加哥大学的天体物理学家和新研究的共同作者Daniel Holz,这些读数可能帮助天文学家们计算出宇宙膨胀的速度。他们可能会对哈勃常数有所了解。

Holz在一份新闻稿中说:“如果你把一个黑洞放在宇宙的早期,信号会发生变化,它看起来会是一个比实际情况更大的黑洞。”

这意味着,如果黑洞碰撞发生在太空中的远处,而且信号已经传播了很长时间,从事件中发出的引力涟漪将受到事件发生后宇宙膨胀的影响。如果你再想想池塘的涟漪,比如说,在池塘里扔下一块石头,通常会在接触点上产生更紧密的涟漪。但是如果你继续观察这些涟漪向外延伸,它们会变得更宽更钝。

因此,如果科学家们能够以某种方式测量黑洞碰撞涟漪的变化,也许可以了解其中一些变化发生的速度。这将有助于他们了解宇宙的膨胀可能已经影响到它们的速度,最后,了解宇宙合法膨胀的速度。

美国宇航局爱因斯坦博士后研究员、卡夫里宇宙学物理研究所研究员和这项新研究的合著者 Jose María Ezquiaga在新闻稿中说:“所以我们测量附近黑洞的质量,了解它们的特征,然后我们看更远的地方,看看那些更远的黑洞似乎发生了多少变化。这给了你一个衡量宇宙膨胀的标准。”

但有一点需要注意的是 -- 这种被研究人员称为"标准警报器"的技术,现在还不能完全实现。事实上,LIGO和Virgo将不得不真正寻找证据,开始工作,我们甚至可以想象它在未来成为普遍现象。

"我们最好需要数以千计的这些信号,在几年内我们应该拥有这些信号,甚至在未来十年或二十年内拥有更多,"Holz说。"到那时,这将是一个令人难以置信的了解宇宙的强大方法。"

尽管"标准警报器"方法的一个相当有希望的方面是,它依赖于爱因斯坦的广义相对论--经过考验的规则,被许多人认为是牢不可破的,因此难以置信地值得信赖。

研究人员说,相比之下,其他大多数处理哈勃常数危机的科学家都依赖于恒星和星系,这涉及到很多复杂的天体物理学,并引入了一个诚实的错误可能性。但是,值得注意的是,已经有一些其他专家将引力波作为哈勃常数的测量对象。

例如,在2019年,一个单独的天文学家小组研究了由中子星合并产生的跨越空间和时间的涟漪,这在2017年被LIGO和Virgo发现。他们试图通过引力波的反向计算来了解碰撞发生时的亮度,并最终得出哈勃常数的估计。而在同一年,另一个团队提出,我们只需要大约25个中子星碰撞的读数,就可以将常数精确到3%以内。相关报道:碰撞的黑洞可能揭示了宇宙膨胀速度的秘密

据cnBeta:BGR报道,宇宙一直在膨胀。科学家们几十年来一直相信这一点。然而,对科学家们来说,确定宇宙的膨胀速度一直是困难的。现在研究人员可能终于找到了一种方法来确定宇宙的膨胀速度以及它是如何演变的。

当两个黑洞碰撞时,它们在时空中产生涟漪,科学家称之为引力波。现在,科学家们已经开发出一种新技术,可以用来测量这些信号的变化。科学家们相信,这可以帮助更好地了解宇宙的膨胀速度。

科学家们在20世纪90年代末首次确定,宇宙正在以加速的速度膨胀。我们把这称为哈勃常数。而且,每当科学家们试图根据哈勃常数来计算宇宙的膨胀速度时,他们最终会得到多个数值。因此,许多人一直在寻找一种更精确的方法来测量宇宙膨胀速度。

科学家们希望能更好地测量宇宙膨胀速度的一种方法是通过测量紧密的双黑洞之间的宇宙碰撞。据Space.com报道,他们把这些配对称为“光谱警报器”,它们最终可以给我们提供一种更稳定的方法来测量宇宙膨胀的速度。

除了告诉我们宇宙是如何膨胀的,了解加速膨胀的速度还可以告诉我们更多关于早期宇宙的情况。詹姆斯·韦伯望远镜最近发现了已知的最早的星系,但是我们对这些星系最初是如何形成的仍然不甚了解。甚至是宇宙是如何从大爆炸中扩张的。

人们希望通过测量黑洞碰撞产生的时空涟漪,为科学家们提供更多的数据来观察。而且,由于像詹姆斯·韦伯望远镜这样的设备已经变得如此复杂,我们可能有一天能够确定宇宙的膨胀速度,是什么在助长这种膨胀,甚至何时,如果有的话,它将放缓。

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