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芝加哥大學(xué)天文學(xué)家提出用黑洞碰撞數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)量宇宙擴(kuò)張的速度

發(fā)布時(shí)間：2025-12-07 21:58:57 來(lái)源：骨軟筋酥網(wǎng) 作者：娛樂(lè)

芝加哥大學(xué)天文學(xué)家提出用黑洞碰撞數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)量宇宙擴(kuò)張的速度
（神秘的地球uux.cn報(bào)道）據(jù)cnBeta：宇宙是如何進(jìn)化的？芝加哥大學(xué)的天文學(xué)家提出了“spectral siren”的方式，來(lái)探索這個(gè)問(wèn)題的學(xué)天答案。黑洞就像是文學(xué)宇宙中的“回收站”，而科學(xué)家希望通過(guò)某種技巧收集這些消失的家提宇宙信息，從而揭示宇宙歷史的出用測(cè)量奧秘。
在最新的黑洞一項(xiàng)研究中，兩名芝加哥大學(xué)的碰撞天文學(xué)家，提出了一種使用多組黑洞碰撞時(shí)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，來(lái)測(cè)量宇宙擴(kuò)張的宇宙速度。理論上這有助于幫助天文學(xué)家理解宇宙是擴(kuò)張如何進(jìn)化的、宇宙是速度由哪些東西組成的，以及宇宙未來(lái)的芝加發(fā)展趨勢(shì)。
尤其要指出的學(xué)天是，這兩位天文學(xué)家認(rèn)為這項(xiàng)名為“Spectral siren”的文學(xué)新技術(shù)，或許能夠揭示宇宙中難以捉摸的家提“青少年”時(shí)代的細(xì)節(jié)。
宇宙膨脹的速度一直是重大的科學(xué)辯論主題，它在學(xué)術(shù)界也稱之為“哈勃常數(shù)”（Hubble Constant）。但目前宇宙膨脹率的測(cè)量方式有很多種，但得出的結(jié)果略有不同。
為了幫助解決這一沖突，科學(xué)家們渴望找到衡量這一比率的替代方法。驗(yàn)證這個(gè)數(shù)字的準(zhǔn)確性尤其重要，因?yàn)樗鼤?huì)影響我們對(duì)宇宙年齡、歷史和構(gòu)成等基本問(wèn)題的理解。
這項(xiàng)新的研究提供了一種更新奇的方式，使用特殊的探測(cè)器來(lái)捕捉黑洞碰撞的宇宙回聲。
有時(shí)候兩個(gè)黑洞會(huì)互相撞擊，從而在時(shí)空中產(chǎn)生了一道穿越宇宙的漣漪。在地球上，美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái) (LIGO) 和意大利 Virgo 天文臺(tái)可以拾取這些漣漪，這些漣漪被稱為引力波（gravitational waves）。
在過(guò)去幾年時(shí)間里，LIGO 和 Virgo 已經(jīng)觀測(cè)到了將近 100 起黑洞撞擊事件。
每次碰撞產(chǎn)生的引力波信號(hào)都包含有關(guān)黑洞質(zhì)量的信息。然而，信號(hào)一直在穿越太空，在此期間宇宙已經(jīng)膨脹，這改變了信號(hào)的特性。該論文的兩位作者之一，芝加哥大學(xué)天體物理學(xué)家丹尼爾·霍爾茲（Daniel Holz）解釋說(shuō)：“例如，如果你把一個(gè)黑洞放在宇宙的早期，它的信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，它看起來(lái)像一個(gè)比實(shí)際更大的黑洞”。
而這種方式可能提供了一個(gè)獨(dú)特的窗口，用于觀察其他測(cè)量手段無(wú)法觀察到的宇宙“青少年”時(shí)期。
如果科學(xué)家們能夠找到一種方法來(lái)測(cè)量該信號(hào)如何變化，他們就可以計(jì)算出宇宙的膨脹率。問(wèn)題是校準(zhǔn)：他們?cè)趺粗浪c原來(lái)的變化有多大？
在他們的新論文中，Holz 和第一作者 Jose María Ezquiaga 建議他們可以使用我們關(guān)于整個(gè)黑洞種群的新知識(shí)作為校準(zhǔn)工具。例如，目前的證據(jù)表明，大多數(shù)檢測(cè)到的黑洞的質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的 5 到 40 倍。
美國(guó)宇航局愛(ài)因斯坦博士后研究員和卡夫利宇宙物理研究所研究員 Ezquiaga 說(shuō)：“所以我們測(cè)量附近黑洞的質(zhì)量并了解它們的特征，然后我們?cè)偻h(yuǎn)處看，看看那些更遠(yuǎn)的黑洞似乎發(fā)生了多大的變化，這可以讓你測(cè)量宇宙的膨脹”。
相關(guān)報(bào)道：研究黑洞如何相撞將能幫助解決一個(gè)天文學(xué)爭(zhēng)議
（神秘的地球uux.cn報(bào)道）據(jù)cnBeta：CNET報(bào)道，2019年，在加利福尼亞州卡弗里理論物理研究所（KITP）舉行的一次會(huì)議以一個(gè)充滿矛盾的聲明結(jié)束：“我們不會(huì)稱其為緊張或問(wèn)題，而是稱其為危機(jī)。”KITP的前主任、粒子物理學(xué)家David Gross談到了我們的宇宙膨脹的速度。但 Gross并不擔(dān)心膨脹本身。幾十年來(lái)，科學(xué)家們已經(jīng)知道宇宙正在以指數(shù)方式膨脹，因?yàn)槲覀冃乔蛑車(chē)奶祗w不斷地遠(yuǎn)離我們和彼此。
為了確定這種宇宙轉(zhuǎn)變到底有多快，科學(xué)家們必須計(jì)算出一個(gè)重要的數(shù)值，即哈勃常數(shù)--然而，即使在今天，也沒(méi)有人能夠就這個(gè)答案達(dá)成一致。
因此，天文學(xué)界彌漫著一種"危機(jī)"，但這是一種搖籃式創(chuàng)新的困境。自從那次緊張的會(huì)議以來(lái)，各地的專家們已經(jīng)鮮明地調(diào)整了他們看待哈勃常數(shù)方程的方式，以試圖恢復(fù)觀星者之間的和平。
周一，一個(gè)這樣的團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)非同尋常的想法來(lái)解決爭(zhēng)端，正如8月3日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的一篇論文中所概述的那樣。
基本上，來(lái)自芝加哥大學(xué)的天文學(xué)家認(rèn)為，當(dāng)潛伏在深空的黑洞相互撞擊時(shí)（它們有時(shí)會(huì)這樣做），引力“巨獸”會(huì)在空間和時(shí)間結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生回響，可能會(huì)留下對(duì)解碼哈勃常數(shù)至關(guān)重要的信息痕跡。
最終，如果科學(xué)家們能夠弄清真正的哈勃常數(shù)，他們也可以得出關(guān)于我們宇宙的一些真正的大問(wèn)題的答案，比如。它是如何演變到我們今天看到的令人驚嘆的領(lǐng)域的？它在物理上是由什么構(gòu)成的？在數(shù)十億年后，在人類不復(fù)存在，因此無(wú)法關(guān)注它的時(shí)候，它可能是什么樣子？
每隔一段時(shí)間，兩個(gè)巨大的黑洞就會(huì)發(fā)生碰撞。這意味著兩個(gè)宇宙中最難以理解的巨大天體結(jié)合成一個(gè)更加難以理解的巨大天體。
當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，合并會(huì)在空間和時(shí)間結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生漣漪--正如愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論所提出的那樣--就像在池塘中扔下一塊石頭會(huì)在水中產(chǎn)生漣漪一樣。
就在Gross和其他物理學(xué)家對(duì)哈勃常數(shù)難題進(jìn)行緊張辯論的四年前，兩個(gè)強(qiáng)大的觀測(cè)站成功地從地球上捕捉到了這些黑洞引起的漣漪。它們被稱為美國(guó)的激光干涉儀引力波觀測(cè)站（LIGO）和意大利處女座干涉儀(Virgo)。
在過(guò)去的幾年里，LIGO和Virgo都檢測(cè)到了來(lái)自近100對(duì)黑洞碰撞的漣漪，根據(jù)芝加哥大學(xué)的天體物理學(xué)家和新研究的共同作者Daniel Holz，這些讀數(shù)可能幫助天文學(xué)家們計(jì)算出宇宙膨脹的速度。他們可能會(huì)對(duì)哈勃常數(shù)有所了解。
Holz在一份新聞稿中說(shuō)：“如果你把一個(gè)黑洞放在宇宙的早期，信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，它看起來(lái)會(huì)是一個(gè)比實(shí)際情況更大的黑洞。”
這意味著，如果黑洞碰撞發(fā)生在太空中的遠(yuǎn)處，而且信號(hào)已經(jīng)傳播了很長(zhǎng)時(shí)間，從事件中發(fā)出的引力漣漪將受到事件發(fā)生后宇宙膨脹的影響。如果你再想想池塘的漣漪，比如說(shuō)，在池塘里扔下一塊石頭，通常會(huì)在接觸點(diǎn)上產(chǎn)生更緊密的漣漪。但是如果你繼續(xù)觀察這些漣漪向外延伸，它們會(huì)變得更寬更鈍。
因此，如果科學(xué)家們能夠以某種方式測(cè)量黑洞碰撞漣漪的變化，也許可以了解其中一些變化發(fā)生的速度。這將有助于他們了解宇宙的膨脹可能已經(jīng)影響到它們的速度，最后，了解宇宙合法膨脹的速度。
美國(guó)宇航局愛(ài)因斯坦博士后研究員、卡夫里宇宙學(xué)物理研究所研究員和這項(xiàng)新研究的合著者 Jose María Ezquiaga在新聞稿中說(shuō)：“所以我們測(cè)量附近黑洞的質(zhì)量，了解它們的特征，然后我們看更遠(yuǎn)的地方，看看那些更遠(yuǎn)的黑洞似乎發(fā)生了多少變化。這給了你一個(gè)衡量宇宙膨脹的標(biāo)準(zhǔn)。”
但有一點(diǎn)需要注意的是 -- 這種被研究人員稱為"標(biāo)準(zhǔn)警報(bào)器"的技術(shù)，現(xiàn)在還不能完全實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，LIGO和Virgo將不得不真正尋找證據(jù)，開(kāi)始工作，我們甚至可以想象它在未來(lái)成為普遍現(xiàn)象。
"我們最好需要數(shù)以千計(jì)的這些信號(hào)，在幾年內(nèi)我們應(yīng)該擁有這些信號(hào)，甚至在未來(lái)十年或二十年內(nèi)擁有更多，"Holz說(shuō)。"到那時(shí)，這將是一個(gè)令人難以置信的了解宇宙的強(qiáng)大方法。"
盡管"標(biāo)準(zhǔn)警報(bào)器"方法的一個(gè)相當(dāng)有希望的方面是，它依賴于愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論--經(jīng)過(guò)考驗(yàn)的規(guī)則，被許多人認(rèn)為是牢不可破的，因此難以置信地值得信賴。
研究人員說(shuō)，相比之下，其他大多數(shù)處理哈勃常數(shù)危機(jī)的科學(xué)家都依賴于恒星和星系，這涉及到很多復(fù)雜的天體物理學(xué)，并引入了一個(gè)誠(chéng)實(shí)的錯(cuò)誤可能性。但是，值得注意的是，已經(jīng)有一些其他專家將引力波作為哈勃常數(shù)的測(cè)量對(duì)象。
例如，在2019年，一個(gè)單獨(dú)的天文學(xué)家小組研究了由中子星合并產(chǎn)生的跨越空間和時(shí)間的漣漪，這在2017年被LIGO和Virgo發(fā)現(xiàn)。他們?cè)噲D通過(guò)引力波的反向計(jì)算來(lái)了解碰撞發(fā)生時(shí)的亮度，并最終得出哈勃常數(shù)的估計(jì)。而在同一年，另一個(gè)團(tuán)隊(duì)提出，我們只需要大約25個(gè)中子星碰撞的讀數(shù)，就可以將常數(shù)精確到3%以內(nèi)。

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