黑暗警笛或将揭秘宇宙学中最大谜团之一：宇宙膨胀速度到底多快？

近年来，宇宙学家一直面临着一个危机：宇宙正在膨胀，但在它远离我们的速度有多快的这个问题上，没有人能达成一致意见。这是因为科学家测量哈勃常数（描述宇宙膨胀的基本参数）的不同方法产生了相互矛盾的结果。但是，对所谓的“黑暗警笛”（黑洞或中子星，它们的碰撞可以被地球上的引力波探测器探测到，但普通望远镜却无法观测到）进行一次幸运的观测，可能有助于解决这种紧张局面。为此，一个研究小组提出了这种被称为“黑暗警笛（dark sirens）”的引力波事件的方法，以解决宇宙学上的一场危机。

随着宇宙膨胀，宇宙中的星系远离地球的速度取决于它们与我们的距离。星系远离银河系的速度和星系与银河系的距离之间的比率大致恒定，这一比率被称为哈勃常数，以美国天文学家爱德文·鲍威尔·哈勃的名字命名，他在20世纪20年代首次计算出了哈勃常数的值，因为哈勃等科学家发现，宇宙正在膨胀——因为大多数星系离银河系越来越远，且距离银河系越远的星系，后退的速度也越快。

通过观察对造父变星和Ia型超新星的运动，一些研究人员对哈勃常数进行了现代的、高精确的测量（造父变星是一类特殊恒星，其亮度变化周期与自身光度直接相关，因而可用于测量星系等的距离。而Ia型超新星则是一类爆发的恒星，其亮度基本恒定，所以二者在天文学上均被当作“标准烛光”，用于计算遥远星系的距离。）。但另一种与之相对的方法，也就是所谓的宇宙微波背景观测法，则是依靠大爆炸38万年后遗留下来的光，得出了一个完全不同的答案，让宇宙学家们摸不着头脑，不知道到底发生了什么。

黑暗警笛或将揭秘宇宙学中最大谜团之一：宇宙膨胀速度到底多快？美国宾夕法尼亚州立大学的物理学家苏拉布·博尔哈尼亚表示：“引力波可以让你对哈勃常数有不同的理解。”当黑洞或中子星等大质量物体碰撞时会扭曲时空结构，从而引发引力波。自2015年以来，美国的LIGO和欧洲的VIRGO天文台一直在监听这种巨大的碰撞，它们的探测器就像小铃铛一样响着。根据它们与地球的距离，这些引力波事件对LIGO来说声音会更大或更小，从而使科学家能够计算出它们发生在多远的地方。在某些情况下，这些重实体的碰撞还会产生一道闪光，天文学家可能会用望远镜捕捉到，并对它们远离我们的速度进行编码。

到目前为止，研究人员只观测到一个同时带有引力波和闪光信号的事件，这是天文学家在2017年通过LIGO的探测器和其他望远镜观测到的一对中子星。博尔哈尼亚教授指出，物理学家由此计算出了哈勃常数的值，尽管测量上的误差大到足以与闪烁恒星和宇宙微波背景辐射的结果重叠。他补充说，之前的工作表明，宇宙学家需要看到大约50个这样的事件，这是相当罕见的，才能得到更精确的哈勃常数数值。而所谓的黑暗警笛则提供了一条可能更快的路线。这种碰撞与闪光无关，闪光包含有关速度的所有重要信息。这些除了引力波之外看不见的现象，是LIGO和其他引力波设备最常见的信号。

在未来的5年里，LIGO的探测器有望得到升级，使其能够分解更多引力波信号的细节，并捕捉更多的事件，包括更多的黑暗警笛。最近，日本的神冈引力波探测器（KAGRA）也加入了美国和欧洲的行列，印度的探测器将在2024年左右上线。博尔哈尼亚教授认为，总有一天，该网络应该能够比目前的科学家更好地确定天空中发生的黑暗警笛坠毁的地点位置。有了这些信息，天文学家就可以确定发生碰撞的确切位置的星系，然后确定该星系远离地球的速度有多快。也就没有必要再去寻找相关的闪光了。

宇宙膨胀速度到底多快？测量哈勃常数的新方法或有望解决这一谜团。博尔哈尼亚教授和他的团队已经证明，在质量特别大、或质量不相等的物体之间的碰撞，他们称之为金色的黑暗警笛，将提供特别丰富的信息，产生的数据可能会导致引力波碰撞，从而能够更好地计算哈勃常数，并具有很高的精度。博尔哈尼亚教授说道：“我们可以用单一一个事件而不是50个事件来做这件事。”而且这可能足以使宇宙学界倾向于一种或另一种测量方法。博尔哈尼亚教授将在4月18日的美国物理学会的4月会议上展示他的研究成果。

由于“黑暗警笛”能够仅从纯粹的物理学角度提供如此出色的距离测量，它们“非常独特，非常干净，非常吸引人。”玛雅·菲什巴赫教授如是说。菲什巴赫是引力波天文学家，也是美国伊利诺斯州埃文斯顿西北大学LIGO团队的成员，但他没有参与这项工作。菲什巴赫教授指出，该小组的结果表明，LIGO和世界各地的同行在不久的将来应该会开始看到更多本地化程度更高的事件。但菲什巴赫教授强调，有可能在黑暗警笛到来之前，其他测量方法可以解决哈勃常数的危机。尽管如此，菲什巴赫教授仍然对引力波宇宙学的未来潜力感到兴奋，因为它可以在未来回答其他基本问题，比如暗能量的本质和细节，正是这种神秘的物质推动着宇宙加速膨胀。