美国 - 艾赫巴里通讯社
伊利诺伊大学和芝加哥大学的物理学家开发出一种测量宇宙膨胀的新方法
大约一个世纪以来，科学界一直知道宇宙处于持续膨胀的状态。为了纪念那些明确证明了这一点的科学家，这种膨胀被称为哈勃常数（或哈勃-勒梅特定数）。如今，科学家们主要使用两种技术来测量这种膨胀速率：宇宙微波背景（CMB）和宇宙距离阶梯。
前者依赖于对来自大爆炸的遗迹辐射的CMB的红移测量。而后者则依赖于使用变星和超新星（即“标准烛光”）进行的视差和红移测量。然而，一个持续存在的问题是，这两种主要方法得出的结果并不一致，由此产生了所谓的“哈勃张力”（Hubble Tension）。这一分歧被认为是当今科学家面临的最重大、最令人费解的宇宙谜团之一。
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幸运的是，新兴的研究为解决这一张力并巩固宇宙学的标准模型提供了充满希望的途径。在一项重要的近期研究中，来自伊利诺伊大学和芝加哥大学的天体物理学家、宇宙学家和物理学家的跨学科团队提出了一种创新的新方法。该技术利用了时空中的细微涟漪，即引力波（GWs），来改进我们对宇宙膨胀的理解。
该研究由布莱斯·考辛斯（Bryce Cousins）领导，他是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校引力与宇宙研究所（IGC）的国家科学基金会（NSF）研究生研究员。他与IGC的许多同事以及卡弗里宇宙物理研究所和芝加哥大学恩里科·费米研究所的研究人员进行了密切合作。他们题为“随机汽笛：宇宙学引力波背景测量哈勃常数”（Stochastic Siren: Astrophysical gravitational-wave background measurements of the Hubble constant）的开创性研究于1月16日发表在著名的《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上。
致力于解决哈勃张力的科学家们已经探索了各种理论解决方案。这些方案包括早期暗能量（EDE）假说、暗物质（DM）与中微子之间的相互作用，以及不断发展的暗能量动力学的复杂模型。近年来，引力波的探测也已成为解决哈勃张力的一个有力工具，它提供了一种独立的宇宙膨胀测量方式。
引力波最初由阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论预言，本质上是时空结构中的扰动。它们是由像中子星和/或黑洞这样的巨大天体合并等灾难性的宇宙事件产生的。这些波的首次直接证实是在2016年由激光干涉引力波天文台（LIGO）的科学家完成的。通过仪器仪表方面的重大进步和牢固的国际合作，LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）网络已成功探测到300多个引力波事件。
这些探测为天文学开辟了新的前沿领域，使科学家能够探测宇宙现象并精确测量宇宙的膨胀。当前的研究在此基础上，通过识别一种改进这些测量的新方法。该团队建议利用“引力波背景”（GWB）——这是由天体物理碰撞产生的持续的引力波嗡嗡声，而这些碰撞对于目前的LVK网络来说过于微弱，无法单独探测到。
这种创新的方法被称为“随机标准汽笛”法，这个名字来源于构成GWB的无数天体物理碰撞的随机性。芝加哥大学教授、该研究的合著者丹尼尔·霍尔兹（Daniel Holz）在伊利诺伊大学的一份新闻稿中强调了这一发展的重要性：“并非每天都能发明出全新的宇宙学工具。我们证明，通过利用遥远星系中黑洞合并产生的背景引力波嗡嗡声，我们可以了解宇宙的年龄和组成。这是一个令人兴奋且全新的方向，我们期待将我们的方法应用于未来的数据集，以帮助约束哈勃常数以及其他关键的宇宙学参数。”
作为概念验证，研究人员将他们的方法应用于LVK合作组织的现有数据。他们的分析显示，目前未能探测到GWB为预测宇宙膨胀速率缓慢的模型提供了令人信服的证据。随后，他们将随机汽笛方法与基于单个黑洞合并事件的哈勃常数测量相结合，获得了更精确的膨胀速率。
考辛斯解释说：“因为我们观测到的是单个黑洞的合并，所以我们可以确定这些合并在整个宇宙中发生的速率。根据这些速率，我们预计会有更多我们无法观测到的事件，这就是所谓的引力波背景。”这一见解表明，如果哈勃常数较低，这些碰撞发生的空间体积就会较小，这意味着碰撞密度更高，GWB信号更强，可能在现有仪器的探测范围内。
伊利诺伊大学宇宙高级研究所（ICASU）的创始主任、合著者尼古拉斯·尤内斯（Nicolás Yunes）强调了这一独立测量的意义：“这一结果非常重要——获得哈勃常数的独立测量值以解决当前的哈勃张力至关重要。我们的方法是利用引力波提高哈勃常数推断准确性的一种创新方式。”
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随着LVK网络灵敏度的计划升级，科学家们预计在未来六年内可能探测到GWB。如果这种情况发生，该团队的随机汽笛方法有望进一步完善哈勃常数的测量。在此期间，该方法可用于限制哈勃常数的较高可能值，从而为GWB设定上限，并允许在直接探测可行之前进行初步研究。
考辛斯说：“随着我们继续提高灵敏度，更好地约束引力波背景，甚至可能探测到它，这应该为未来应用这种方法铺平道路。通过纳入这些信息，我们预计将获得更好的宇宙学结果，并更接近于解决哈勃张力。”
