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「标准哨音」法 不但能够计算哈勃常数，还能揭示宇宙青春期时的面貌

在新一期《物理评论快报》上，芝加哥大学的两位天体物理学家提出了一种方法，可以借助黑洞碰撞事件来测量我们的宇宙膨胀的速度——从而了解宇宙演化的信息。

特别是，科学家们认为，他们称之为改良版“标准哨音”的新技术或许能够告诉我们宇宙那难以捉摸的“青少年”岁月。

当前关于宇宙的膨胀速度，有一场意义重大的争论——焦点是被称为哈勃常数的数字。迄今为止可用的不同方法产生的答案略有不同，科学家们渴望找到新的替代方法。这个数字的准确性尤其重要，因为它会影响我们对宇宙年龄、历史和构成等基本问题的理解。

这项新研究使用特殊的探测器来捕捉黑洞碰撞的宇宙回波，提供了一种计算的方法。

偶尔，两个黑洞会相互撞击——一个如此强大的事件，以至于可在时空中产生一道穿越宇宙的涟漪。在地球上，美国激光干涉仪引力波天文台 (LIGO) 和意大利处女座天文台可以拾取这些空间振动，也就是被称为引力波的东西。

在过去的几年里，LIGO 和 Virgo 经收集了近100组黑洞碰撞的数据。

每次碰撞的信号都包含有关黑洞质量的信息。但波动一直在穿越空间，在此期间宇宙的膨胀，改变了信号的特性。 “例如，你把一个黑洞放在宇宙的早期，信号就会发生变化，黑洞看起来会比实际更大。”两位作者之一、芝加哥大学的天体物理学家Daniel Holz解释说。

如果科学家们能够找到一种方法来测量信号如何变化，他们就可以计算出宇宙的膨胀率。问题是校准零点：他们怎么知道变化之前的原始信号长啥样？

在最新论文中，Holz和第一作者Jose María Ezquiaga建议使用关于黑洞整体的新知识作为校准工具。例如，目前的证据表明，大多数检测到的黑洞的质量是太阳质量的5到40倍。“所以我们测量附近黑洞的质量并了解它们的特征，然后我们再往远处看，看看那些更远的黑洞有多大的异同。”美国宇航局爱因斯坦博士后研究员和卡夫利宇宙物理研究所研究员Ezquiaga说。“这让你可以衡量宇宙的膨胀。”

作者将其称为“标准哨音”的升级方法。 (这个名字对应于天文学中的“标准烛光”法。)

科学家们很兴奋，因为在未来，随着 LIGO 能力的扩展，该方法可能会提供一个独特的窗口，让我们了解宇宙的“青少年”时期——大约 100 亿年前——这是其他方法难以触及的时间段。

研究人员可以使用宇宙微波背景来回溯宇宙的最早期，可以环顾我们周围的星系，以研究宇宙最近的历史。但中间时期更难达到，这是一个具有特殊科学意义的领域。

“大约在那个时候，宇宙的主导力量从 暗物质 让位给 暗能量 接管，我们对这一关键转变非常感兴趣。”Ezquiaga 说。

作者说，这种方法的另一个优点是，科学知识欠缺造成的不确定性更少。 “通过使用整个黑洞群，该方法可以自我校准，直接识别和纠正错误。”用于计算哈勃常数的其他方法依赖于我们目前对恒星和星系物理学的理解，这涉及到很多复杂的物理学和天体物理学细节。这意味着如果有一些我们还不知道的东西，测量结果就会有大量误差。

相比之下，新的黑洞方法几乎完全依赖于爱因斯坦的引力理论，该理论已经得到了充分研究，并且迄今为止经过了科学家们无数次测试，屹立至今。

从所有黑洞中获得的读数越多，基点就越准确。“我们需要数千个这样的信号，我们可在未来十年内收集。”Holz说。“到那时，这将是了解宇宙的一种非常强大的方法。”

https://phys.org/news/2022-08-black-hole-collisions-fast-universe.html

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