研究黑洞如何相撞將能幫助解決一個天文學爭議

據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並不擔心膨脹本身。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。

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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,天文學界瀰漫著一種”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迴響,可能會留下對解碼哈勃常數至關重要的信息痕迹。

最終,如果科學家們能夠弄清真正的哈勃常數,他們也可以得出關於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?它在物理上是由什麼構成的?在數十億年後,在人類不復存在,因此無法關注它的時候,它可能是什麼樣子?

每隔一段時間,兩個巨大的黑洞就會發生碰撞。這意味着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。

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當這種情況發生時,合併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)。

在過去的幾年裡,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。”

這意味着,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。這將有助於他們了解宇宙的膨脹可能已經影響到它們的速度,最後,了解宇宙合法膨脹的速度。

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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,了解它們的特徵,然後我們看更遠的地方,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。”

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。”

儘管”標準警報器”方法的一個相當有希望的方面是,它依賴於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於恆星和星系,這涉及到很多複雜的天體物理學,並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併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,並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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