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研究黑洞与中子星碰撞有助于解决关于宇宙膨胀的争端

由伦敦大学学院(University College London)研究人员领导的一项新的模拟研究表明,研究黑洞和中子星的剧烈碰撞可能很快就可以提供一个新的宇宙膨胀率的新度量,有助于解决长期存在的争议。

研究黑洞与中子星碰撞有助于解决关于宇宙膨胀的争端

目前,我们估算宇宙膨胀率的两种最佳方法是测量脉动和爆炸星的亮度和速度,并观察早期宇宙辐射的波动,它们给出了截然不同的答案,这表明我们关于宇宙的理论可能是错误的。

第三类测量方法是观察由黑洞-中子星碰撞引起的空间结构中的光和波纹的爆炸,这应有助于解决这一分歧并阐明我们的宇宙理论是否需要重写。

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这项发表在《物理评论快报》上的新研究模拟了25,000个黑洞和中子星碰撞的场景,旨在观察21世纪20年代中后期地球上仪器可能探测到多少个场景。

研究人员发现,到21世纪30年,地球上的仪器可以感知到由多达3,000次此类碰撞引起的时空波动,而且在其中约100次事件中,望远镜还将看到伴随的光爆炸。

他们得出结论,这将是足够的数据,以提供一种新的、完全独立的、对宇宙膨胀率的测量方法,其精确度和可靠性足以确认或否认对新物理学的需求。

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主要作者斯蒂芬·费尼博士(UCL物理与天文学)说:“中子星是一颗死星,它是由一个非常大的恒星爆炸然后坍塌而形成的,它的密度令人难以置信,通常跨度为16公里,但质量却高达2倍太阳质量,它与黑洞的碰撞是同样的灾难性事件,会引起了时空的涟漪,称为引力波,现在我们可以使用LIGO和Virgo等天文台在地球上探测到。

“我们尚未从这些碰撞中探测到光线。但是,探测引力波的设备灵敏度的提高,以及印度和日本的新探测器,将导致我们能够探测到的这类事件数量上的巨大飞跃 。这是令人兴奋的,应该为天体物理学开辟一个新纪元。”

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为了计算宇宙的膨胀率(称为哈勃常数),天体物理学家需要了解天文物体与地球之间的距离以及它们移动的速度。分析引力波可以告诉我们碰撞距离有多远,仅需要确定速度。

为了说明发生碰撞的星系移动的速度有多快,我们看一看光的“红移”,即光源产生的光的波长如何被其运动拉伸。这些碰撞可能伴随着光的爆炸,这将有助于我们查明碰撞发生的星系,从而使研究人员能够将距离的测量结果与该星系中的红移测量结果结合起来。

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费尼博士说:“这些灾难性事件的计算机模型是不完整的,这项研究应该为改进它们提供额外的动力。如果我们的假设正确,那么许多碰撞将不会产生我们可以检测到的爆炸,黑洞会吞噬爆炸。但在某些情况下,一个较小的黑洞在吞咽中子星之前,可能会首先撕裂中子星,从而可能将物质留在发出电磁辐射的黑洞之外。”

合著者希拉尼亚·佩里斯(Hiranya Peiris)教授(UCL物理与天文学和斯德哥尔摩大学)说:“关于哈勃常数的分歧是宇宙学中最大的谜团之一。除了帮助我们解决这个难题之外,这些灾难性事件的时空涟漪也随之开启一个关于宇宙的新窗口。我们可以预见在未来十年中将会有许多激动人心的发现。”

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在美国的两个观测站(LIGO),意大利的一个观测站(Virgo)和日本的一个观测站(KAGRA)中都检测到了引力波。第五座天文台,印度LIGO,正在建设中。

我们目前对宇宙膨胀的两个最佳估计是67km/s/Mpc(Mpc:百万秒差距,约326万光年)和74km/s/Mpc。第一个来自分析宇宙微波背景,大爆炸留下的辐射,第二个来自比较距地球不同距离的恒星,特别是造父变星,它们具有可变的亮度,并爆炸了称为Ia型超新星的恒星。

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费尼博士解释说:“由于微波背景测量需要完成宇宙的完整理论,而恒星方法则不需要,因此分歧为我们目前的理解提供了新物理学的诱人证据。但是,在我们提出这样的主张之前,我们需要从完全独立的观察中确认分歧——我们相信可以通过黑洞——中子星碰撞来解决。”

这项研究是由伦敦大学学院、伦敦帝国学院、斯德哥尔摩大学和阿姆斯特丹大学的研究人员进行的。它得到了英国皇家学会,瑞典研究委员会(VR),克努特和爱丽丝·沃伦伯格基金会以及荷兰科学研究组织(NWO)的支持。

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