宇宙膨胀得有多快？科学家对宇宙膨胀的速率进行了新的估算

宇宙究竟膨胀得有多快？

自上个世纪二十年代埃德温·哈勃发现宇宙膨胀以来，人们都在试图回答这个问题。这个问题近些年来也受到了前所未有的关注，因为一些天文学家默默地期待着或许在追寻答案的路途中会发现新的物理。

要想知道这个问题的答案，天文学家需要测量所谓的哈勃常数。过去，测量哈勃常数的方法主要有两种。一种方法常被称为宇宙距离阶梯，这是测量哈勃常数最标准、最古老的一个方法，它通过先对银河系中的天体进行测量，接着再测量邻近星系中同类型的天体的性质，来得出这些天体的距离，构建出距离阶梯。通过宇宙膨胀的效应在这些天体发出的光上留下的印记，研究人员就可计算出膨胀速率。另一种则完全不同，它是通过分析大爆炸遗留的热辐射——宇宙微波背景（CMB），推算出宇宙膨胀的速率。

采用第一种方法测得的哈勃常数大约为73-74 km/s/Mpc，其不确定性仅为2%左右；而采用第二种方法所测得的哈勃常数大约为67 km/s/Mpc，不确性度仅为1%。

12月15日，诺贝尔物理学奖得主Adam Riess领导的研究团队提交了一篇新的论文，他们在利用宇宙距离阶梯法对Gaia卫星测得的新数据进行分析之后，再次将哈勃常数的数值确定为73.2km/s/Mpc，这与他们之前的数据一致，但现在的不确定性只有1.8%。这一新结果表明，差异确实存在，而其中的原因却无人知道。

2015年，科学家首次探测到引力波。自那之后，引力波天文学的崛起为解决许多天文学难题带来了新的可能。通过研究探测到的引力波的性质，天文学家可以获悉产生了引力波的天体的许多性质。近年来，一些研究人员正试图用引力波来测量哈勃常数。2019年7月，一组天文学家就利用在2017年探测到的双中子星合并，得出了一个新的哈勃常数值，

现在，在一项新的研究中，由物理学家Tim Dietrich等组成的国际研究小组，通过分析两颗中子星相互碰撞形成黑洞时产生的电磁波和引力波，对中子星的质量和半径进行了新的估算，并推断出了新的宇宙膨胀的速率。研究结果被发表在了12月18日的《科学》杂志上。

中子星合并事件GW170817的模拟。 | 视频来源：Max Planck Institute for Gravitational Physics

这种通过结合不同的信号来洞察遥远的天体物理学，被称为多信使天文学。在新研究中，研究人员所采用了来自于引力波事件GW170817和GW190425的数据。在GW170817事件中，天文学家除了探测到了由它发出的引力波信号之外，还探测到了它所产生的伽马射线暴，以及在可见光、红外光以及紫外光的电磁波信号；但GW190425事件只产生了引力波信号，其电磁波信号尚未被探测到。

中子星合并事件GW190425的模拟。 | 视频来源：Max Planck Institute for Gravitational Physics

通过结合这些数据，研究人员确定了对于一颗质量为1.4倍太阳质量的中子星来说，半径约为11.75km，不确定性为 0.81km和-0.86km。中子星的大小直接取决于中子星核心处物质的行为，因此，这一结果将有助于科学家更好地了解中子星的内部运作机制。而在使用这些信息计算宇宙膨胀的速率时，他们测得哈勃常数值基本上与通过测量CMB所得的结果一致，结果为66.2km/s/Mpc，不确定性约为7%。

虽然新的哈勃常数结果的不确定性较大，无法最终解决分歧，但它为宇宙的膨胀速率问题提供了另一个新的数据点。并且，它表明了利用多信使天文学分析，仅通过一个中子星并合事件所产生的电磁波信号和引力波信号，就可以将哈勃常数的不确定性限制在7%左右。如此一来，利用这种测量方法，如果再有9个这样的中子星并合事件，哈勃常数的测量值的不确定性就可被限制在2%以内；当这样的时间40次合并，这一数值的不确定性便可将至1%。

此外，有趣的是，这次研究结果是基于一种完全不同的新方法所得出的，按照预期，它的结果应该更与采用宇宙距离阶梯所得的结果相符，然而结果却表明它更倾向于接近采用宇宙微波背景辐射所得的值。

虽然这种新的测量方法目前还无法完全解决当前存在的紧张局面，但它有可能为解决问题带来新的思路，并有望在短期之内比迄今为止的任何一种方法都更精确地做到这一点。毕竟，引力波天文学是一个只有五年历史的研究领域，因此，可以说这已是极为了不起的起步。相信在未来的几年，还将会有更多的惊喜等待着我们。

封面图来源：Tim Dietrich

参考链接：

https://phys.org/news/2020-12-multi-messenger-astronomy-neutron-star-size.html

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2020/12/17/merging-neutron-stars-really-can-solve-cosmologys-biggest-conundrum/?sh=2fb821f52f07

https://science.sciencemag.org/content/370/6523/1450

https://www.quantamagazine.org/astronomers-get-their-wish-and-the-hubble-crisis-gets-worse-20201217/