自从138亿年前宇宙爆炸形成以来，宇宙就一直在膨胀，连同它一起的还有星系和恒星系等，就像迅速膨胀的面团中的葡萄干。天文学家们已经将望远镜对准了某些恒星和其他宇宙源，以测量它们与地球的距离以及它们离我们的距离有多快——这两个参数对于估计哈勃常数(描述宇宙膨胀速度的测量常数)是至关重要的。但迄今为止，最精确的研究都是建立在非常不同的哈勃常数上，并没有给出宇宙膨胀速度的确切答案。 博科园-科学科普：科学家们相信这些信息可以揭示宇宙的起源，宇宙的命运，以及宇宙是否会无限膨胀或最终崩溃。现在，麻省理工学院和哈佛大学的科学家们提出了一种更精确、更独立的方法来测量哈勃常数，方法是利用一个相对罕见的系统所发射的引力波：一个黑洞-中子星双星，一个螺旋状黑洞和一颗中子星的高能配对。当这些物体相互靠近时，当它们最终相撞时它们就会产生空间震动的引力波和一束光。发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的一篇论文中，闪光可以给科学家们一个关于这个系统的速度的估计，或者说是它离开地球的速度。
超级计算机模拟合并黑洞发射引力波的可视化图。图片：NASA/C. Henze
如果在地球上探测到的引力波，应该提供一个独立和精确的测量系统距离。尽管黑洞-中子星是非常罕见的，但研究人员计算出，对于哈勃常数和膨胀宇宙的速度来说，即使探测到少数黑洞-中子星也是最精确的。麻省理工学院(MIT)物理学助理教授、论文主要作者萨尔瓦托维塔勒(Salvatore Vitale)说：黑洞-中子星双星是非常复杂的系统，我们对此知之甚少。如果发现了其中的一个，那么我们的奖品就是它们能够为理解宇宙做出巨大贡献。
最近对哈勃常数进行了两项独立的测量，一项是利用美国宇航局的哈勃太空望远镜，另一项是利用欧洲航天局的普朗克卫星。哈勃太空望远镜的测量是基于对一种称为造父变星的恒星观察，以及对超新星的观察。这两种天体都被认为是“标准烛光”，因为它们的亮度是可以预测的，科学家可以用它们来估计恒星的距离和速度。另一种估计是基于对宇宙微波背景波动的观察——大爆炸后不久遗留下来的电磁辐射，当时宇宙还处于初始阶段。
虽然这两个探测器的观测非常精确，但它们对哈勃常数的估计却大相径庭。LIGO或者说激光干涉引力波天文台，可以探测到引力波，是由灾难性的天体物理现象产生。引力波提供了一种非常直接和简单的方法来测量它们的源的距离，用LIGO检测到的是与源的距离的直接印记，没有任何额外的分析。2017年当LIGO和意大利Virgo首次发现了一对碰撞的中子星时，科学家们第一次有机会从引力波源估算哈勃常数。
碰撞释放出大量的引力波，研究人员通过测量来确定系统与地球的距离。这次合并也释放了一束光，天文学家们用地面和太空望远镜观测，以确定系统的速度。通过这两次测量，科学家计算出了哈勃常数的一个新值。然而这一估计的不确定性相对较大，为14%，比哈勃太空望远镜和普朗克卫星计算的不确定性大得多。这种不确定性很大程度上源于这样一个事实，即利用这个特定系统发出的引力波来解释中子星与地球距离是很有挑战性的。
通过观察引力波有多“响亮”来测量距离，这意味着它在我们的数据中有多清晰，如果非常清晰，可以看到它的声音有多响亮，这就给出了距离，但这只是中子星双星的一部分。这是因为，当两颗中子星螺旋向彼此靠近时，这些系统产生了一个旋转的能量盘，它们以不均匀的方式发射引力波。大部分引力波直接从圆盘的中心发射出去，而一小部分则从边缘逃逸出来。如果科学家探测到一个“响亮”的引力波信号，它可以表明两种情况之一：探测到的波来自于一个非常靠近地球系统边缘，或者是来自于一个更远系统中心的波。对于中子星双星，很难区分这两种情况。
2014年在LIGO首次探测引力波之前，Vitale和他的同事观察到与中子星相比，由黑洞和中子星组成的双星系统可以提供更精确的距离测量。该研究小组正在研究，考虑到已知的黑洞在其轴线上旋转，与地球类似，但速度快得多，人们能以多精确的速度测量黑洞旋转。研究人员模拟了各种有黑洞的系统，包括黑洞、中子星和中子星。作为这一努力的副产品，研究小组注意到，与中子星双星相比，他们能够更准确地确定黑洞-中子星双星的距离。这是由于中子星周围的黑洞在旋转，这可以帮助科学家更好地确定引力波从系统的什么地方散发出来。
“因为有了更好的距离测量，黑洞-中子星双星可能是测量哈勃常数的竞争探针，从那时起，LIGO和引力波的发现发生了很多变化，所有这些都被搁置了。最近维塔勒回到了他最初的观察，在这篇新论文中，开始回答一个理论问题：每一个黑洞-中子星都会给一个更好的距离来弥补这个事实吗？宇宙中黑洞-中子星的双星比中子星要少得多。为了回答这个问题，研究小组进行了模拟实验，以预测这两种类型的双星系统在宇宙中的出现，以及它们的距离测量的准确性。即使中子双星系统的数量比黑洞-中子星系统多50-1倍，后者也会产生与前者相似的哈勃常数。
更乐观地说，如果黑洞-中子星双星稍微更常见，但仍然比中子星双星更罕见，前者将产生比哈勃常数精确四倍。到目前为止，人们把注意力集中在双星上，把它作为一种用引力波测量哈勃常数的方法，已经证明还有另外一种引力波源，到目前为止还没有被充分利用：黑洞和中子星一起螺旋运行。LIGO将在2019年1月重新开始收集数据，它将更加敏感，这意味着我们将能够看到更远的物体，LIGO应该至少看到一个黑洞-中子星，这将有助于解决测量哈勃常数。
博科园-科学科普｜参考期刊：物理评论快报，arXiv｜来自： 麻省理工学院
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