宇宙膨胀速度有多快?黑洞吞噬中子星的过程,或将告诉我们答案

在宇宙中,中子星和黑洞是最诡异的两个天体。二者之间的碰撞,绝对是宇宙中最精彩的灾难。

即使中子星的密度达到了每立方厘米几亿吨,看起来相当结实,但是在黑洞面前,还是显得极其脆弱。在遇到黑洞时,中子星也会被撕裂,最终被黑洞吞噬。

这样的吞噬过程,自然非常壮观,如果能够观测到,也是一种视觉盛宴。不过,最近有科学家发现,黑洞和中子星的碰撞,不仅仅会上演一场壮丽的宇宙表演,甚至还能够帮助我们了解宇宙的膨胀速度。

宇宙膨胀速度

大约100年前的时候,美国天文学家埃德温·哈勃在观测遥远的河外星系时,发现它们都在远离地球。随着观测的深入,他发现这是一个普遍规律,这意味着宇宙可能是在膨胀的。而且,他还告诉我们:星系远离我们的速度——也就是它所在位置的宇宙膨胀速度——和它们与地球的距离成正比,这就是著名的哈勃定律,数学表达式如下:

但是,哈勃也给我们留下了一个疑问,那就是哈勃常数。哈勃常数代表着某个位置的宇宙拥有多快的膨胀速度,或者说某个距离的星系远离我们的速度,其单位是公里每秒每百万秒差距(km/s/Mpc,一百万秒差距约等于326光年)。

直到今天,科学家们也不知道哈勃常数到底是多少,这意味着我们至今也不知道宇宙膨胀的速度到底有多快。宇宙膨胀速度的关键,就在于哈勃常数的测定。在测定的过程中,问题也出现了。

哈勃常数

科学家并非没有办法测量哈勃常数,恰恰相反,他们已经找到了好几种方法。问题也就出在这,方法很多,答案也不同,这就令科学家们非常困惑了。

比较直接的一种测量方法,就是利用造父变星或者是Ia型超新星,计算出遥远星系的距离。同时,我们测量它们的远离速度,就可以推导出哈勃常数。

除此之外,还有一种方法,那就是利用宇宙微波背景辐射来计算宇宙膨胀速度。宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸后38万年留下的痕迹,弥散在今天的宇宙空间,被称为大爆炸的余晖,记录着宇宙历史的秘密。欧洲航天局的普朗克卫星一直在对宇宙微波背景辐射进行研究,根据它提供的数据,我们也能够测量出一个哈勃常数。

尽管也有其他的方法来测量哈勃常数,但目前来说,仍然是这两种方法最可靠。偏偏是这两个主流的方法,出现了分歧。

两个方法,两个结果

根据Ia型超新星或者造父变星的方法,科学家们计算出来的哈勃常数是73km/s/Mpc左右。而利用宇宙微波背景辐射计算出来的结果,大约是67.66km/s/Mpc。就像我们上学时做题验算一样,科学家们也希望一种方法能和另一个方法验算出相同的结果。可惜事与愿违,两个结果出现了差异。

一开始,科学家们以为这只是仪器的误差。但接下来的一系列研究表明,这样的结果不是误差导致的,而是真真实实出现了两个不同的结果。

(图片说明:两种方法的数据差异)

这让科学家们非常困惑:到底哪一个答案是正确的呢?至少从目前的理论来看,两种方法都是有根据的。尽管我们知道可能有一个是错误的,但没有人知道哪一个是错误的,错在了哪里。

如果找不到其中的错误,那么我们就只能找到第三种方法。如果这种方法完全独立于前两种方法,并且计算出来一个结果,我们就能知道谁对谁错了。

黑洞——中子星的碰撞

伦敦大学学院的科学家们找到了新的方法,他们相信,这个方法完全独立于此前的其他研究方法。如果能够借此计算出新的哈勃常数,并与此前的其他某个数值相符,那么就证明这个数值极有可能是正确的。

这个方法的来源,就在于引力波。

引力波是爱因斯坦的广义相对论所预言的一个现象,它是由大质量天体的运行所产生的时空涟漪。在这个预言被提出的差不多整整一百年后,今天的科学家们才终于掌握了探测引力波的方法。

中子星和黑洞就是这样的大质量天体,它们的密度和引力都非常强,会严重扭曲自己附近的宇宙空间。当这两种恐怖的宇宙天体发生碰撞时,就会产生非常强烈的引力波,被我们观测到。而这样的引力波,将是我们计算哈勃常数的重要手段。

那么,宇宙中能够产生引力波的事件有很多,比如双黑洞的碰撞或者双中子星的碰撞,为何一定要黑洞与中子星的碰撞才能用来计算哈勃常数呢?

本次研究的主要作者Stephen Feeney指出:黑洞在撕裂中子星的过程中,会释放出强大的电磁辐射,这样的辐射和黑洞吞噬恒星不同,更容易被我们检测到。所以,通过黑洞吞噬中子星的过程及其产生的引力波,科学家就能探测宇宙的膨胀速度。

更多的观测

对于目前的我们来说,引力波的探测仍然是相对比较新的一项技术,毕竟人类观测到的第一个引力波是在2015年才被捕获的,到今天也才只有6年的时间。

好在世界各国都意识到了引力波的重要意义,也在建设更多的探测器。除了现在位于美国的激光干涉引力波天文台、日本的日本神冈引力波探测器以及意大利的欧洲室女座天文台之外,还有正在印度建设的新的激光干涉引力波天文台。凭借着这些引力波探测实验,科学家们将会获得更多引力波数据。

本次研究的科学家们认为,在未来10年的时间里,宇宙中还会发生多次黑洞与中子星的碰撞。他们利用模拟得出的数据是3000次左右,相当可观,而其中大概有100次能够被人类的引力波探测器发现。

虽然看起来比例比较低,但这个数据量已经足够了。凭借着这些数据,科学家们在2030年左右就可以利用这些数据和全新的方法来计算哈勃常数。我们当然期望它和宇宙微波背景辐射的方法或者是Ia型超新星的方法测量结果一致,但也可能会出现一个全新的答案——那样的话确实就有点尴尬了。

不管怎么说,这样的尝试都是必须的。即使可能遭遇新的尴尬,科学家也不能停止研究的步伐。毕竟我们相信,早晚有一天,他们会找到正确的答案。

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