宇宙深处的“静默”之歌：科学家如何从引力波背景噪音中“听”出

探索宇宙奥秘 · 理性思考

想象一下，你正试图测量一片汪洋大海的洋流速度。你是选择盯住几艘孤零零的帆船，记录它们漂移的轨迹？还是去感受整个海洋那种无处不在、永不停歇的涌动？

现在，一个由伊利诺伊大学和芝加哥大学组成的物理学家团队，决定换种思路。他们不再只盯着那些引人注目的孤立“帆船”，而是把耳朵贴在水面下，试图去“听”整个海洋的涌动之音。2026年2月24日，他们在《物理评论快报》上发表了一项研究，展示了一种测量哈勃常数的全新方法，利用的正是宇宙中那些我们尚未能一一分辨的、由无数黑洞合并产生的引力波背景噪音。

这就好比我们在一场交响乐中，不去听小提琴独奏，而是去感受整个乐队奏出的和声。这场宇宙的“背景和声”，或许正是解开当前宇宙学最大谜题的关键。

要理解这个新方法有多巧妙，得先简单回顾一下我们是怎么测量宇宙膨胀的。

上世纪20年代，哈勃发现宇宙在膨胀。想测量膨胀有多快，你需要两样东西：天体的距离，以及它远离我们而去的速度。

到了2015年，LIGO直接探测到引力波，人类打开了宇宙观测的全新窗口。引力波由黑洞或中子星等致密天体碰撞产生，它本身携带着天体的“绝对距离”信息，因此被称为“标准汽笛”。理论上，如果这个碰撞同时有光线发出（即“亮汽笛”，如2017年的双中子星并合GW170817），我们就能同时拿到距离和红移，完美测量哈勃常数。

但问题在于，绝大多数引力波事件都是黑洞合并，它们不发光，是“暗汽笛”。你无法知道这个信号来自哪个星系，也就不知道它的红移，距离信息就浪费了。科学家们只能靠“猜”，在信号源可能的位置范围内，统计所有可能的宿主星系，再取个平均值。这种方法精度有限。

而伊利诺伊大学团队的创新之处，在于他们干脆放弃了寻找单个“汽笛”的宿主星系。他们把所有目前探测器还不够灵敏、无法单独分辨的微弱黑洞合并信号统统看作一个整体——引力波背景。这就像你听不清人群里任何一个人在说什么，但你能感受到整个会场的喧闹程度。

他们给这个新方法起名叫随机汽笛方法。

这个方法的逻辑链条非常精妙，充满了物理学的美感。

第一环：已知的未知。 我们通过已经观测到的黑洞合并事件，可以估算出整个宇宙中黑洞合并的发生率有多高。既然能看到这么多，那看不见的、更微弱的肯定更多。这些微弱的信号叠加在一起，就构成了一个恒定的、弥漫在全天的引力波背景嗡嗡声。

第二环：宇宙体积与信号密度的反比关系。 关键点来了：如果宇宙膨胀得比较慢（也就是哈勃常数较小），那么相同红移范围内，宇宙的总体积就更小。但黑洞合并事件的总数又基本是固定的（由发生率决定）。在一个较小的“盒子”里塞进同样多的事件，这些事件的“密度”就变高了。

第三环：密度决定背景强度。 黑洞合并事件在宇宙中的密度越高，它们产生的引力波背景信号就越强。反过来讲，如果我们的探测器非常灵敏，却没有探测到预期的背景信号强度，那就能反推出宇宙的膨胀速度可能没那么慢（即哈勃常数较大），因为较大的体积稀释了事件密度，让背景信号弱到我们探测不到。

这就好比你在一个空荡荡的礼堂里，能听清每一个人的低语（单个可分辨的引力波事件）。但如果礼堂里挤满了人，虽然你听不清任何一个人，但你却能清晰地感受到那种嘈杂的嗡嗡声（引力波背景）。而“嘈杂”的程度，直接取决于礼堂里挤了多少人。这个“人挤人”的程度，就和宇宙体积，进而和哈勃常数挂上了钩。

研究团队将这个新方法应用到了LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）合作组的现有数据中。他们发现，即便目前还没有真正探测到引力波背景，但仅仅是“没有探测到”这个事实本身，就已经能提供信息——它能排除掉宇宙膨胀得太慢的那些可能性。当他们把这种新方法与已有的单个黑洞合并数据结合时，对哈勃常数的测量精度得到了提升，并且将测量值推向了一个更靠近“哈勃张力”争议中心的区域。

这项新成果，也让我们再次审视中国在这个前沿领域的位置。我们不仅在场，而且在多条战线上积极布局。

首先，在地面探测器方面，中国是LVK国际合作的重要参与者，来自中国的科研人员在数据分析、天体物理研究上贡献颇多。例如，东北大学张鑫教授团队在2025年就发表了一项成果，他们创新性地利用引力波“暗汽笛”校准了强引力透镜时间延迟系统，以不依赖宇宙学模型的方式测量了哈勃常数。这本身就是对“暗汽笛”应用的一次重要拓展。

在下一代探测技术上，中国正在快步追赶。中山大学主导的“天琴计划”和中科院主导的“太极计划”，都旨在将引力波探测器送上天。空间探测的优势在于能避开地球的地震噪声，捕捉到频率更低的引力波信号，这些信号往往对应着更大质量的黑洞合并。天琴计划的研究人员早已论证过，未来利用天琴和欧洲的LISA以及地面的爱因斯坦望远镜组成多波段观测网络，对哈勃常数的测量精度有望达到1%的惊人水平。 这将是破解“哈勃张力”的终极利器。

再者，探索的脚步不止于引力波。2026年1月，一篇发表在《天体物理学期刊》上的研究显示，中国科学家（诸佳明、张冰等）利用117个快速射电暴（FRBs）的数据，也对哈勃常数给出了独立的测量约束。快速射电暴是宇宙中另一种神秘的瞬变信号，它同样可以作为探针来研究宇宙。

可以看到，在这场围绕“哈勃常数”的全球科学竞赛中，中国科学家没有缺席。从数据分析、方法创新到未来探测器的布局，我们正以不同的方式切入，试图为“哈勃张力”这个难题提供来自中国的答案。

宇宙还在用它独有的方式“歌唱”，以前我们只听得见那些最高亢的独唱，如今，科学家们开始学会欣赏那无处不在的“和声”。无论是美国的“随机汽笛”，还是中国的天琴计划、快速射电暴研究，都标志着宇宙学研究正从依赖少数明亮“灯塔”，转向利用更普遍、更微弱的“背景噪音”。这场由“听得见”到“听不见”的跨越，或许正是我们无限接近宇宙真相的必经之路。