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芝加哥大學天文學家提出用黑洞碰撞數據來測量宇宙擴張的速度

黑洞


芝加哥大學天文學家提出用黑洞碰撞數據來測量宇宙擴張的速度



芝加哥大學天文學家提出用黑洞碰撞數據來測量宇宙擴張的速度


芝加哥大學天文學家提出用黑洞碰撞數據來測量宇宙擴張的速度
（）據cnBeta：宇宙是如何進化的？芝加哥大學的天文學家提出了“spectral siren”的方式，來探索這個問題的答案 。黑洞就像是宇宙中的“回收站”，而科學家希望通過某種技巧收集這些消失的宇宙信息，從而揭示宇宙歷史的奧秘 。
在最新的一項研究中，兩名芝加哥大學的天文學家，提出了一種使用多組黑洞碰撞時觀測到的數據，來測量宇宙擴張的速度 。理論上這有助于幫助天文學家理解宇宙是如何進化的、宇宙是由哪些東西組成的，以及宇宙未來的發展趨勢 。
尤其要指出的是，這兩位天文學家認為這項名為“Spectral siren”的新技術，或許能夠揭示宇宙中難以捉摸的“青少年”時代的細節 。
宇宙膨脹的速度一直是重大的科學辯論主題 ， 它在學術界也稱之為“哈勃常數”（Hubble Constant） 。但目前宇宙膨脹率的測量方式有很多種 ， 但得出的結果略有不同 。
為了幫助解決這一沖突，科學家們渴望找到衡量這一比率的替代方法 。驗證這個數字的準確性尤其重要，因為它會影響我們對宇宙年齡、歷史和構成等基本問題的理解 。
這項新的研究提供了一種更新奇的方式，使用特殊的探測器來捕捉黑洞碰撞的宇宙回聲 。
有時候兩個黑洞會互相撞擊，從而在時空中產生了一道穿越宇宙的漣漪 。在地球上 ， 美國激光干涉引力波天文臺 (LIGO) 和意大利 Virgo 天文臺可以拾取這些漣漪，這些漣漪被稱為引力波（gravitational waves） 。
在過去幾年時間里，LIGO 和 Virgo 已經觀測到了將近 100 起黑洞撞擊事件 。
每次碰撞產生的引力波信號都包含有關黑洞質量的信息 。然而，信號一直在穿越太空，在此期間宇宙已經膨脹，這改變了信號的特性 。該論文的兩位作者之一，芝加哥大學天體物理學家丹尼爾·霍爾茲（Daniel Holz）解釋說：“例如，如果你把一個黑洞放在宇宙的早期，它的信號會發生變化，它看起來像一個比實際更大的黑洞” 。
而這種方式可能提供了一個獨特的窗口，用于觀察其他測量手段無法觀察到的宇宙“青少年”時期 。
如果科學家們能夠找到一種方法來測量該信號如何變化 ， 他們就可以計算出宇宙的膨脹率 。問題是校準：他們怎么知道它與原來的變化有多大？
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于整個黑洞種群的新知識作為校準工具 。例如，目前的證據表明 ， 大多數檢測到的黑洞的質量是太陽質量的 5 到 40 倍 。
美國宇航局愛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：“所以我們測量附近黑洞的質量并了解它們的特征，然后我們再往遠處看，看看那些更遠的黑洞似乎發生了多大的變化 ， 這可以讓你測量宇宙的膨脹” 。
相關報道：研究黑洞如何相撞將能幫助解決一個天文學爭議
（）據cnBeta：CNET報道，2019年，在加利福尼亞州卡弗里理論物理研究所（KITP）舉行的一次會議以一個充滿矛盾的聲明結束：“我們不會稱其為緊張或問題 ， 而是稱其為危機 。”KITP的前主任、粒子物理學家David Gross談到了我們的宇宙膨脹的速度 。但 Gross并不擔心膨脹本身 。幾十年來，科學家們已經知道宇宙正在以指數方式膨脹，因為我們星球周圍的天體不斷地遠離我們和彼此 。
為了確定這種宇宙轉變到底有多快 ， 科學家們必須計算出一個重要的數值，即哈勃常數--然而 ， 即使在今天，也沒有人能夠就這個答案達成一致 。
因此，天文學界彌漫著一種"危機" ， 但這是一種搖籃式創新的困境 。自從那次緊張的會議以來，各地的專家們已經鮮明地調整了他們看待哈勃常數方程的方式，以試圖恢復觀星者之間的和平 。
周一，一個這樣的團隊提出了一個非同尋常的想法來解決爭端 ， 正如8月3日發表在《物理評論快報》上的一篇論文中所概述的那樣 。
基本上，來自芝加哥大學的天文學家認為，當潛伏在深空的黑洞相互撞擊時（它們有時會這樣做），引力“巨獸”會在空間和時間結構中產生回響，可能會留下對解碼哈勃常數至關重要的信息痕跡 。
最終，如果科學家們能夠弄清真正的哈勃常數，他們也可以得出關于我們宇宙的一些真正的大問題的答案，比如 。它是如何演變到我們今天看到的令人驚嘆的領域的？它在物理上是由什么構成的？在數十億年后，在人類不復存在 ， 因此無法關注它的時候，它可能是什么樣子？
每隔一段時間，兩個巨大的黑洞就會發生碰撞 。這意味著兩個宇宙中最難以理解的巨大天體結合成一個更加難以理解的巨大天體 。
當這種情況發生時，合并會在空間和時間結構中產生漣漪--正如愛因斯坦的廣義相對論所提出的那樣--就像在池塘中扔下一塊石頭會在水中產生漣漪一樣 。
就在Gross和其他物理學家對哈勃常數難題進行緊張辯論的四年前，兩個強大的觀測站成功地從地球上捕捉到了這些黑洞引起的漣漪 。它們被稱為美國的激光干涉儀引力波觀測站（LIGO）和意大利處女座干涉儀(Virgo) 。
在過去的幾年里，LIGO和Virgo都檢測到了來自近100對黑洞碰撞的漣漪，根據芝加哥大學的天體物理學家和新研究的共同作者Daniel Holz，這些讀數可能幫助天文學家們計算出宇宙膨脹的速度 。他們可能會對哈勃常數有所了解 。
Holz在一份新聞稿中說：“如果你把一個黑洞放在宇宙的早期 ， 信號會發生變化，它看起來會是一個比實際情況更大的黑洞 ?！?br>這意味著 ， 如果黑洞碰撞發生在太空中的遠處，而且信號已經傳播了很長時間 ， 從事件中發出的引力漣漪將受到事件發生后宇宙膨脹的影響 。如果你再想想池塘的漣漪，比如說 ， 在池塘里扔下一塊石頭，通常會在接觸點上產生更緊密的漣漪 。但是如果你繼續觀察這些漣漪向外延伸，它們會變得更寬更鈍 。
因此，如果科學家們能夠以某種方式測量黑洞碰撞漣漪的變化，也許可以了解其中一些變化發生的速度 。這將有助于他們了解宇宙的膨脹可能已經影響到它們的速度，最后，了解宇宙合法膨脹的速度 。
美國宇航局愛因斯坦博士后研究員、卡夫里宇宙學物理研究所研究員和這項新研究的合著者 Jose María Ezquiaga在新聞稿中說：“所以我們測量附近黑洞的質量，了解它們的特征，然后我們看更遠的地方，看看那些更遠的黑洞似乎發生了多少變化 。這給了你一個衡量宇宙膨脹的標準 ?！?br>但有一點需要注意的是 -- 這種被研究人員稱為"標準警報器"的技術，現在還不能完全實現 。事實上，LIGO和Virgo將不得不真正尋找證據，開始工作 ， 我們甚至可以想象它在未來成為普遍現象 。
"我們最好需要數以千計的這些信號，在幾年內我們應該擁有這些信號，甚至在未來十年或二十年內擁有更多，"Holz說 。"到那時，這將是一個令人難以置信的了解宇宙的強大方法 。"
盡管"標準警報器"方法的一個相當有希望的方面是，它依賴于愛因斯坦的廣義相對論--經過考驗的規則 ， 被許多人認為是牢不可破的，因此難以置信地值得信賴 。
研究人員說 ， 相比之下，其他大多數處理哈勃常數危機的科學家都依賴于恒星和星系，這涉及到很多復雜的天體物理學 ， 并引入了一個誠實的錯誤可能性 。但是 ， 值得注意的是，已經有一些其他專家將引力波作為哈勃常數的測量對象 。
例如，在2019年 ， 一個單獨的天文學家小組研究了由中子星合并產生的跨越空間和時間的漣漪，這在2017年被LIGO和Virgo發現 。他們試圖通過引力波的反向計算來了解碰撞發生時的亮度 ， 并最終得出哈勃常數的估計 。而在同一年，另一個團隊提出 ， 我們只需要大約25個中子星碰撞的讀數，就可以將常數精確到3%以內 。
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（）據cnBeta：BGR報道 ， 宇宙一直在膨脹 ?？茖W家們幾十年來一直相信這一點 。然而，對科學家們來說，確定宇宙的膨脹速度一直是困難的 。現在研究人員可能終于找到了一種方法來確定宇宙的膨脹速度以及它是如何演變的 。
當兩個黑洞碰撞時，它們在時空中產生漣漪，科學家稱之為引力波 。現在，科學家們已經開發出一種新技術，可以用來測量這些信號的變化 ?？茖W家們相信，這可以幫助更好地了解宇宙的膨脹速度 。
科學家們在20世紀90年代末首次確定，宇宙正在以加速的速度膨脹 。我們把這稱為哈勃常數 。而且，每當科學家們試圖根據哈勃常數來計算宇宙的膨脹速度時，他們最終會得到多個數值 。因此 ， 許多人一直在尋找一種更精確的方法來測量宇宙膨脹速度 。
科學家們希望能更好地測量宇宙膨脹速度的一種方法是通過測量緊密的雙黑洞之間的宇宙碰撞 。據Space.com報道，他們把這些配對稱為“光譜警報器”，它們最終可以給我們提供一種更穩定的方法來測量宇宙膨脹的速度 。
除了告訴我們宇宙是如何膨脹的，了解加速膨脹的速度還可以告訴我們更多關于早期宇宙的情況 。詹姆斯·韋伯望遠鏡最近發現了已知的最早的星系 ， 但是我們對這些星系最初是如何形成的仍然不甚了解 。甚至是宇宙是如何從大爆炸中擴張的 。
人們希望通過測量黑洞碰撞產生的時空漣漪，為科學家們提供更多的數據來觀察 。而且，由于像詹姆斯·韋伯望遠鏡這樣的設備已經變得如此復雜，我們可能有一天能夠確定宇宙的膨脹速度，是什么在助長這種膨脹 ， 甚至何時，如果有的話，它將放緩 。