研究黑洞如何相撞将能帮助解决一个天文学争议

摘要:

据CNET报道,2019年,在加利福尼亚州卡弗里理论物理研究所(KITP)举行的一次会议以一个充满矛盾的声明结束:“我们不会称其为紧张或问题,而是称其为危机。”KITP的前主任、粒子物理学家David Gross谈到了我们的宇宙膨胀的速度。但 Gross并不担心膨胀本身。几十年来,科学家们已经知道宇宙正在以指数方式膨胀,因为我们星球周围的天体不断地远离我们和彼此。

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为了确定这种宇宙转变到底有多快,科学家们必须计算出一个重要的数值,即哈勃常数--然而,即使在今天,也没有人能够就这个答案达成一致。

因此,天文学界弥漫着一种"危机",但这是一种摇篮式创新的困境。自从那次紧张的会议以来,各地的专家们已经鲜明地调整了他们看待哈勃常数方程的方式,以试图恢复观星者之间的和平。

周一,一个这样的团队提出了一个非同寻常的想法来解决争端,正如8月3日发表在《物理评论快报》上的一篇论文中所概述的那样。

基本上,来自芝加哥大学的天文学家认为,当潜伏在深空的黑洞相互撞击时(它们有时会这样做),引力“巨兽”会在空间和时间结构中产生回响,可能会留下对解码哈勃常数至关重要的信息痕迹。

最终,如果科学家们能够弄清真正的哈勃常数,他们也可以得出关于我们宇宙的一些真正的大问题的答案,比如。它是如何演变到我们今天看到的令人惊叹的领域的?它在物理上是由什么构成的?在数十亿年后,在人类不复存在,因此无法关注它的时候,它可能是什么样子?

每隔一段时间,两个巨大的黑洞就会发生碰撞。这意味着两个宇宙中最难以理解的巨大天体结合成一个更加难以理解的巨大天体。

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当这种情况发生时,合并会在空间和时间结构中产生涟漪--正如爱因斯坦的广义相对论所提出的那样--就像在池塘中扔下一块石头会在水中产生涟漪一样。

就在Gross和其他物理学家对哈勃常数难题进行紧张辩论的四年前,两个强大的观测站成功地从地球上捕捉到了这些黑洞引起的涟漪。它们被称为美国的激光干涉仪引力波观测站(LIGO)和意大利处女座干涉仪(Virgo)。

在过去的几年里,LIGO和Virgo都检测到了来自近100对黑洞碰撞的涟漪,根据芝加哥大学的天体物理学家和新研究的共同作者Daniel Holz,这些读数可能帮助天文学家们计算出宇宙膨胀的速度。他们可能会对哈勃常数有所了解。

Holz在一份新闻稿中说:“如果你把一个黑洞放在宇宙的早期,信号会发生变化,它看起来会是一个比实际情况更大的黑洞。”

这意味着,如果黑洞碰撞发生在太空中的远处,而且信号已经传播了很长时间,从事件中发出的引力涟漪将受到事件发生后宇宙膨胀的影响。如果你再想想池塘的涟漪,比如说,在池塘里扔下一块石头,通常会在接触点上产生更紧密的涟漪。但是如果你继续观察这些涟漪向外延伸,它们会变得更宽更钝。

因此,如果科学家们能够以某种方式测量黑洞碰撞涟漪的变化,也许可以了解其中一些变化发生的速度。这将有助于他们了解宇宙的膨胀可能已经影响到它们的速度,最后,了解宇宙合法膨胀的速度。

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美国宇航局爱因斯坦博士后研究员、卡夫里宇宙学物理研究所研究员和这项新研究的合著者 Jose María Ezquiaga在新闻稿中说:“所以我们测量附近黑洞的质量,了解它们的特征,然后我们看更远的地方,看看那些更远的黑洞似乎发生了多少变化。这给了你一个衡量宇宙膨胀的标准。”

但有一点需要注意的是 -- 这种被研究人员称为"标准警报器"的技术,现在还不能完全实现。事实上,LIGO和Virgo将不得不真正寻找证据,开始工作,我们甚至可以想象它在未来成为普遍现象。

"我们最好需要数以千计的这些信号,在几年内我们应该拥有这些信号,甚至在未来十年或二十年内拥有更多,"Holz说。"到那时,这将是一个令人难以置信的了解宇宙的强大方法。"

尽管"标准警报器"方法的一个相当有希望的方面是,它依赖于爱因斯坦的广义相对论--经过考验的规则,被许多人认为是牢不可破的,因此难以置信地值得信赖。

研究人员说,相比之下,其他大多数处理哈勃常数危机的科学家都依赖于恒星和星系,这涉及到很多复杂的天体物理学,并引入了一个诚实的错误可能性。但是,值得注意的是,已经有一些其他专家将引力波作为哈勃常数的测量对象。

例如,在2019年,一个单独的天文学家小组研究了由中子星合并产生的跨越空间和时间的涟漪,这在2017年被LIGO和Virgo发现。他们试图通过引力波的反向计算来了解碰撞发生时的亮度,并最终得出哈勃常数的估计。而在同一年,另一个团队提出,我们只需要大约25个中子星碰撞的读数,就可以将常数精确到3%以内。

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