當中子星撞上了黑洞,上演宇宙災難的同時,還洩露了宇宙的秘密

在宇宙中,中子星和黑洞是最詭異的兩個天體。二者之間的碰撞,絕對是宇宙中最精彩的災難。

即使中子星的密度達到了每立方公分幾億噸,看起來相當結實,但是在黑洞面前,還是顯得極其脆弱。在遇到黑洞時,中子星也會被撕裂,最終被黑洞吞噬。

這樣的吞噬過程,自然非常壯觀,如果能夠觀測到,也是一種視覺盛宴。不過,最近有科學家發現, 黑洞和中子星的碰撞,不僅僅會上演一場壯麗的宇宙表演,甚至還能夠幫助我們瞭解宇宙的膨脹速度

宇宙膨脹速度

大約100年前的時候,美國天文學家愛德溫·哈勃在觀測遙遠的銀河外星系時,發現它們都在遠離地球。隨著觀測的深入,他發現這是一個普遍規律,這意味著宇宙可能是在膨脹的。而且,他還告訴我們: 星系遠離我們的速度——也就是它所在位置的宇宙膨脹速度——和它們與地球的距離成正比,這就是著名的哈勃定律,數學運算式如下:

但是,哈勃也給我們留下了一個疑問,那就是哈勃常數。哈勃常數代表著某個位置的宇宙擁有多快的膨脹速度,或者說某個距離的星系遠離我們的速度,其單位是公里每秒每百萬秒差距(km/s/Mpc,一百萬秒差距約等於326光年)。

直到今天,科學家們也不知道哈勃常數到底是多少,這意味著我們至今也不知道宇宙膨脹的速度到底有多快。宇宙膨脹速度的關鍵,就在於哈勃常數的測定。在測定的過程中,問題也出現了。

哈勃常數

科學家並非沒有辦法測量哈勃常數,恰恰相反,他們已經找到了好幾種方法。 問題也就出在這,方法很多,答案也不同,這就令科學家們非常困惑了。

比較直接的一種測量方法, 就是利用造父變星或者是Ia型超新星,計算出遙遠星系的距離。同時,我們測量它們的遠離速度,就可以推導出哈勃常數。

除此之外, 還有一種方法,那就是利用宇宙微波背景輻射來計算宇宙膨脹速度。宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸後38萬年留下的痕跡,彌散在今天的宇宙空間,被稱為大爆炸的餘暉,記錄著宇宙歷史的秘密。歐洲航天局的普朗克衛星一直在對宇宙微波背景輻射進行研究,根據它提供的資料,我們也能夠測量出一個哈勃常數。

儘管也有其他的方法來測量哈勃常數,但目前來說,仍然是這兩種方法最可靠。偏偏是這兩個主流的方法,出現了分歧。

兩個方法,兩個結果

根據Ia型超新星或者造父變星的方法,科學家們計算出來的哈勃常數是73km/s/Mpc左右。而利用宇宙微波背景輻射計算出來的結果,大約是67.66km/s/Mpc。就像我們上學時做題驗算一樣,科學家們也希望一種方法能和另一個方法驗算出相同的結果。可惜事與願違,兩個結果出現了差異。

一開始,科學家們以為這只是儀器的誤差。但接下來的一系列研究表明,這樣的結果不是誤差導致的,而是真真實實出現了兩個不同的結果。

(圖片說明:兩種方法的資料差異)

這讓科學家們非常困惑:到底哪一個答案是正確的呢?至少從目前的理論來看,兩種方法都是有根據的。儘管我們知道可能有一個是錯誤的,但沒有人知道哪一個是錯誤的,錯在了哪裡。

如果找不到其中的錯誤,那麼我們就只能找到第三種方法。 如果這種方法完全獨立於前兩種方法,並且計算出來一個結果,我們就能知道誰對誰錯了。

黑洞——中子星的碰撞

倫敦大學學院的科學家們找到了新的方法,他們相信,這個方法完全獨立於此前的其他研究方法。如果能夠借此計算出新的哈勃常數,並與此前的其他某個數值相符,那麼就證明這個數值極有可能是正確的。

這個方法的來源,就在於引力波。

引力波是愛因斯坦的廣義相對論所預言的一個現象,它是由大品質天體的運行所產生的時空漣漪。在這個預言被提出的差不多整整一百年後,今天的科學家們才終於掌握了探測引力波的方法。

中子星和黑洞就是這樣的大品質天體,它們的密度和引力都非常強,會嚴重扭曲自己附近的宇宙空間。當這兩種恐怖的宇宙天體發生碰撞時,就會產生非常強烈的引力波,被我們觀測到。而這樣的引力波,將是我們計算哈勃常數的重要手段。

那麼,宇宙中能夠產生引力波的事件有很多,比如雙黑洞的碰撞或者雙中子星的碰撞,為何一定要黑洞與中子星的碰撞才能用來計算哈勃常數呢?

本次研究的主要作者Stephen Feeney指出:黑洞在撕裂中子星的過程中,會釋放出強大的電磁輻射,這樣的輻射和黑洞吞噬恒星不同,更容易被我們檢測到。所以,通過黑洞吞噬中子星的過程及其產生的引力波,科學家就能探測宇宙的膨脹速度。

更多的觀測

對於目前的我們來說,引力波的探測仍然是相對比較新的一項技術,畢竟人類觀測到的第一個引力波是在2015年才被捕獲的,到今天也才只有6年的時間。

好在世界各國都意識到了引力波的重要意義,也在建設更多的探測器。除了現在位於美國的鐳射干涉引力波天文臺、日本的日本神岡引力波探測器以及義大利的歐洲室女座天文臺之外,還有正在印度建設的新的鐳射干涉引力波天文臺。憑藉著這些引力波探測實驗,科學家們將會獲得更多引力波資料。

本次研究的科學家們認為,在未來10年的時間裡,宇宙中還會發生多次黑洞與中子星的碰撞。 他們利用類比得出的資料是3000次左右,相當可觀,而其中大概有100次能夠被人類的引力波探測器發現。

雖然看起來比例比較低,但這個資料量已經足夠了。憑藉著這些資料,科學家們在2030年左右就可以利用這些資料和全新的方法來計算哈勃常數。我們當然期望它和宇宙微波背景輻射的方法或者是Ia型超新星的方法測量結果一致,但也可能會出現一個全新的答案——那樣的話確實就有點尷尬了。

不管怎麼說,這樣的嘗試都是必須的。即使可能遭遇新的尷尬,科學家也不能停止研究的步伐。畢竟我們相信,早晚有一天,他們會找到正確的答案。

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