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    空間引力波天文臺聯網觀測有望將哈勃常數的測量精度提高到1%

      

     

      哈勃常數(H0)是刻畫當前宇宙膨脹速率的重要物理參數。近幾年來自于高紅移宇宙微波背景輻射和星系巡天的重子聲學振蕩給出的哈勃常數(H0=67.4±0.5),與低紅移的Ia型超新星給出的哈勃常數(H0=74.0±1.4),顯示出嚴重的不一致性(大于4個標準偏差)。該問題被稱為“哈勃危機“, 近年來引起了天文學界和物理學界的極大關注。引力波作為觀測宇宙的新窗口,可以對解決哈勃常數危機提供全新的思路。近日,由來自于北京師范大學天文系博士生王仁杰和教授胡彬,深圳技術大學助理教授楊青,中國科學院理論物理研究所博士生阮文洪,研究員郭宗寬和蔡榮根組成的研究團隊發現:通過對宇宙學尺度上的超大質量雙黑洞系統產生的引力波波形信號的分析,未來的LISA-Taiji空間引力波天文臺的聯網觀測數據將能大幅度地提高引力波事例的空間定位能力。借助這一優勢,人們可以利用不依賴于引力波電磁對應體的“暗汽笛”方法,利用5年的聯網觀測,有望將哈勃參數的限制精度提升到1%以內。這對解決“哈勃危機”具有重要意義。

     

     

      不同的哈勃常數測量方法的重要意義不僅在于給出的測量精度本身的高低,而且在于不同觀測方法能揭示出的測量結果不一致的背后根源。一方面,來自于高紅移的宇宙微波背景輻射和星系巡天的重子聲學振蕩數據是當前天體物理和宇宙學領域中測量精度最高的兩類觀測數據。正是二者在過去近幾十年的迅猛發展將宇宙學推進到“精確宇宙學”時代。但是,利用這兩類數據對哈勃常數的測量依賴于標準宇宙學模型LCDM的假定。另一方面,根據距離校準后的Ia型超新星可以直接給出對哈勃常數的測量。這一結果不依賴于對宇宙學模型的假設。因此,如果說真實的哈勃常數與低紅移測量給出的數據相符,那么這將意味著我們需要對目前廣為接受的標準宇宙學模型作出修正。這蘊含著偏離標準宇宙學模型的新物理。

     

      中國科學院建議的空間引力波天文臺——“太極計劃”(Taiji)與歐盟和美國聯合研制中的LISA空間引力波天文臺將均以繞日軌道運行,兩者計劃在2035年左右發射升空,將在毫赫茲頻段以極高的精度測量來自于超大質量黑洞雙星等天體源所發射的引力波信號。而引力波信號相對于傳統的電磁波信號而言,具有更為純凈的產生和校準機制,是測量哈勃常數的理想方式。前期研究表明,二者聯網觀測的話,可以極大地提高確定引力波信號源的方位角和距離,見Nature Astron. 4 (2020) 108。胡彬等人的工作針對“LISA-Taiji”引力波聯合探測網絡限制哈勃常數能力給出了一個細致的分析,顯示了未來空間引力波探測計劃對確定哈勃常數的重要科學意義。該工作近日在《國家科學評論》/ 英文名:《National Science Review》上在線發表。該工作得到了來自國家自然科學基金委、科技部和科學院相關項目的資助。北京師范大學天文系胡彬教授是文章的通訊作者。胡彬和楊青均博士畢業于中國科學院理論物理研究所。

     

     

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