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研究:剧烈黑洞-中子星碰撞可能有助于解决关于宇宙膨胀的争论

2021-05-03 11:55 · 稿源:cnbeta

据外媒报道,考虑到我们目前估估算宇宙膨胀速率的两种最佳方法--测量脉动和爆炸恒星的亮度和速度以及观察早期宇宙辐射的波动--给出的答案非常不同,这表明我们的宇宙理论可能是错误的。第三种测量方法则是观察由黑洞-中子星碰撞引起的光的爆炸和空间结构的波纹,这应该有助于解决这个分歧并搞清楚我们的宇宙理论是否需要重写。

这项发表在《Physical Review Letters》上的新研究模拟了2.5万个黑洞和中子星碰撞的场景,目的是看看到本世纪20年代中后期,地球上的仪器可能会探测到多少个。

研究人员发现,等到2030年,地球上的仪器奖可以探测到多达3000次由这样碰撞造成的时空涟漪,在约100次这样的碰撞中,望远镜还能观测到伴随的光爆炸。他们得出的结论是,这些数据足以提供一种全新的、完全独立的宇宙膨胀率测量方法,其精确性和可靠性足以证实或否定新物理学的必要性。

该论文的论文主要作者、来自伦敦大学物理与天文学的Stephen Feeney博士(指出:“中子星是一颗死星,是由一颗非常大的恒星爆炸后坍缩产生,它的密度令人难以置信--虽然通常情况下直径为10英里,但质量是我们太阳的两倍。”它跟黑洞的碰撞是灾难性的事件,会造成时空波动即引力波,我们现在可以在地球上通过LIGO和Virgo等天文台探测到引力波。

“我们还没有探测到这些碰撞产生的光。但探测引力波设备灵敏度的提高加上印度和日本的新探测器将使得我们能探测到的此类事件的数量出现巨大飞跃。这是令人难以置信的激动,其应该会为天体物理学开辟一个新时代,”Feeney说道。

为了计算出宇宙的膨胀率即所谓的哈勃常数,天体物理学家需要知道天体跟地球的距离以及它们远离地球的速度。分析引力波可以告诉我们碰撞的距离,这一切只需要确定速度即可。

要知道发生碰撞的星系离开我们的速度需要观察光的“红移”--也就是说,一个光源产生的光的波长是如何被它的运动拉伸的。伴随这些碰撞而来的光爆炸将帮助我们精确定位碰撞发生的星系,从而使得研究人员能结合测量该星系的距离和红移。

Feeney博士指出:“这些灾难性事件的计算机模型还不完整,这项研究应该为改进它们提供额外的动力。如果我们的假设是正确的,那么许多这样的碰撞将不会产生我们可以探测到的爆炸--黑洞将吞噬恒星而不会留下任何痕迹。但在某些情况下,一个较小的黑洞可能会在吞噬中子星之前先将其撕裂,其可能会在洞外留下释放电磁辐射的物质。”

合著者Hiranya Peiris教授则表示:“关于哈勃常数的分歧是宇宙学中最大的谜团之一。除了帮助我们解开这个谜题,这些灾难性事件的时空涟漪还为我们打开了一扇了解宇宙的新窗口。在未来的十年里,我们可以期待许多激动人心的发现。”

引力波在美国的两个天文台(LIGO实验室)、意大利的一个天文台(Virgo)、日本的一个天文台(KAGRA)被观测到。现在,第五个该类型天文台--LIGO-India正在建设中。

我们目前对宇宙膨胀的两个最佳估计是67公里每秒每百万秒差距(326万光年)和74公里美秒每百万秒差距。第一个来自于对宇宙微波背景的分析--由大爆炸留下的辐射,而第二个来自于比较跟地球不同距离的恒星--尤其是造父变星以及被称为Ia型超新星的爆炸恒星。

Feeney博士解释称:“由于微波背景测量需要一个完整的宇宙理论,而恒星法不需要,这一分歧提供了超越我们目前理解的新物理的诱人证据。然,在我们做出这样的断言之前,我们需要通过完全独立的观察来证实这个分歧--我们相信黑洞和中子星的碰撞可以提供这些意见。”

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