早在1916年,爱因斯坦就基于广义相对论预言了宇宙中存在引力波。那么,什么是引力波呢?它是指物体加速运动时产生的引力辐射。当大质量的天体发生碰撞,或者超新星爆发,亦或者两个黑洞发生碰撞时,就会产生强大的引力波。也就是说,只有较大的天体发生宇宙极端事件时,才会发出较为容易探测的引力波。因此,长久以来,引力波仍然是一个推测。直到2016年,LIGO科学组织和Virgo团队才利用高级探测器,首次探测到了双黑洞合并时产生的引力波信号,也证实了爱因斯坦关于引力波预言的正确性。

那么,引力波的发现意味着什么呢?科学家表示,通过探测引力波,可以解决很多宇宙难题。近日,发表在《物理评论快报》上的一项最新研究中,来自伦敦大学学院和弗拉特龙研究所的宇宙学家组成的一个国际研究小组发现,通过测量未来10年约50颗双星引力波的信号,将能够最终解决关于我们的宇宙膨胀速度究竟有多快的激烈争论。

目前,宇宙已经膨胀了138亿年。宇宙的膨胀速度被称为“哈勃常数”,它给出了大爆炸以来的时间。哈勃常数是20世纪20年代埃德温·哈勃和乔治·勒梅特尔的研究成果,它是宇宙学中最重要的常数之一。“哈勃常数”对于估计空间曲率和宇宙年龄,以及探索宇宙的命运都具有至关重要的意义。然而,目前人类用来测量哈勃常数的两种最好的方法却得出了相互矛盾的结果,这说明,人类对宇宙结构和历史的理解形成的“标准宇宙模型”可能存在某些错误。

但是,这项最新公布的研究表明,通过测量被称为“标准警报”的双子星发出的引力波的独立数据,将能够解决目前“哈勃常数”的测量结果存在相互冲突的问题。这是因为,双子星碰撞前在向对方旋转时会发出引力波,这种碰撞产生的明亮闪光可以被望远镜探测到。通过比较许多不同中子星合并时产生的引力波辐射的时间,研究人员就可以测量宇宙膨胀的速度。虽然中子星双星碰撞事件是罕见的,但它们在追踪宇宙是如何膨胀方面具有非同一般的价值。它们发出的引力波会在时空中产生涟漪,通过激光干涉引力波天文台(LIGO)和Virgo实验可以探测到这些涟漪,从而精确测量出它们与地球的距离。除此之外,通过探测伴随爆炸产生的光,天文学家还可以确定相关速度,进而根据哈勃定律计算出哈勃常数。

在这项研究中,研究人员模拟了需要多少次这样的观测才能解决精确测量哈勃常数的问题。研究人员已经计算出,通过在未来十年中观测50颗双星的引力波信号,他们就将有足够的引力波数据来独立确定哈勃常数的最佳测量值。它的深远意义在于,这将有助于科学家形成关于宇宙是如何膨胀的最精确的描述,并帮助他们改进标准的宇宙模型。