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聽了這麽多關於致密星的故事，妳有興趣知道它們在哪裏嗎？當然是在宇宙中！“宇宙”這個古老而神秘的名詞，在科學家手裏變成了壹門科學:宇宙學。尷尬，在精確宇宙學時代，宇宙學中的基本參數之壹哈勃常數的真實值越來越撲朔迷離了！
這是智社引力波天文學系列的第四篇文章，帶妳探索哈勃常數，問引力波對這個宇宙學參數的答案。知社邀請國內相關領域的青年學者撰寫引力波天文學叢書，以饗讀者。
特別聲明:本系列科普文章均由相關學者基於其即將申請、正在實施或已完成的國家自然科學基金委資助的國家自然科學基金項目開發，版權歸作者所有。
哈勃常數介紹
哈勃常數H0是由哈勃定律引入的基本宇宙常數。精確確定H0的值是精確計算宇宙距離(正比於c/H0，其中c是光在真空中的傳播速度)和宇宙時間或宇宙年齡(正比於1/H0)的基本前提。
1929年，美國著名天文學家埃德溫·哈勃宣布了壹項震驚科學界的發現。哈勃(圖1)和他的助手測量了河外多個星系的距離，發現星系的表觀退行速度(或譜線紅移)與它們的距離大致成正比。1952年，在美國度過了大部分科研生涯的德國天文學家沃爾特·巴德在羅馬舉行的國際天文學聯合會會議上宣布，他通過觀測發現恒星可以分為第壹和第二類星群，並進壹步發現有兩種不同類型的造父變星——經典型和第二類建立的標準宇宙學模型(即宇宙學常數模型)，供研究人員正確使用具有高紅移的距離。在低紅移區(即鄰近宇宙中)，宇宙的局部幾何非常接近歐幾裏德幾何，全局曲率的影響可以忽略。天體的回歸速度遠小於光速v
圖3。左圖為溫迪·弗裏德曼發表演講，右圖為她用來測量哈勃常數的哈勃太空望遠鏡。
“精確宇宙學”時代的哈勃常數
近十年來宇宙學的快速發展離不開越來越多精度更高的觀測數據，尤其是哈勃空間望遠鏡(HST)、斯隆數字巡天(SDSS)、威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)和普朗克衛星的觀測數據，為精確確定包括哈勃常數在內的宇宙學參數做出了巨大貢獻，是我們進入“精確宇宙學”時代的必備因素。
在當前“精確宇宙學”時代，Ia型超新星、重子聲振蕩和宇宙微波背景輻射三種標準宇宙學探測器測得的哈勃常數的精度已經優於5%。然而，從不同觀測數據獲得的H0值存在顯著差異。最有代表性的例子就是基於普朗克空間望遠鏡觀測宇宙微波背景得到的H0值明顯小於哈勃空間望遠鏡觀測近宇宙得到的值，兩者之差達到3個標準差[8]。2013年，普朗克工作組在標準宇宙學模型框架下，基於普朗克衛星的宇宙微波背景觀測數據，給出了壹個H0 = 67.9 1.5 km/s/MPC的結果，優於2011年Adam G. Riess團隊基於哈勃望遠鏡的結果。兩大項目組測得的H0值明顯不壹致，迅速引起了天文學的新浪潮和哈勃常數測量的新浪潮。2015年，普朗克的工作組根據更新後的數據將結果修正為H0 = 67.27±0.66km/s/MPC[11]，隨後Reiss團隊也根據更新後的哈勃望遠鏡觀測結果選取了附近宇宙中的2157造父變星和231 Ia。所以哈勃常數的測量目前處於十字路口[13]。
在這種情況下，結合其他宇宙學探針來測量H0，以便與上面提到的兩個項目組的結果進行比較，是非常有指導意義的。
圖註:哈勃常數測量數據，隨著測量精度的提高，測量值的差異越來越明顯。摘自《十字路口的宇宙學》，弗裏德曼，自然占星學，1，0169 (2017)。
哈勃常數新波迎接引力波新時代
就在哈勃常數的新波還沒有平息的時候，引力波的探測又有了突破。首先，2月111，2065438，美國加州理工學院、麻省理工學院、美國激光幹涉儀引力波天文臺(LIGO)科學合作組和美國國家科學基金會通過新聞發布會正式向世界宣布，人類首次探測到引力波！相信讀者都知道，這次公布的首次成功探測，指的是位於美國的LIGO探測器於9月15日探測到的雙黑洞並合的引力波事件。引力波的成功探測表明阿爾伯特·愛因斯坦基於廣義相對論預言的引力波是存在的。這壹發現在物理學和天文學上具有裏程碑式的意義。當人們還沈浸在這個消息帶來的興奮和喜悅中時，時隔4個多月，又有消息稱LIGO再次探測到雙黑洞合並的引力波事件，而這次探測到的信號是2065438+2005+65438年2月26日。也就是說，LIGO在2015年兩次探測到引力波信號。然而，驚喜並沒有結束！兩個黑洞合並的第三次引力波事件於2017年10月4日被advanced aLIGO(原激光幹涉引力波天文臺的升級版)成功探測到。面對前三次引力波事件的成功探測，有些人在興奮之余可能會感到壹絲失望:“為什麽只有LIGO探測器探測到了引力波信號，而其他引力波探測器卻探測不到？”如果有讀者恰好有這樣的感嘆，那麽LIGO和處女座在9月28日剛剛宣布，他們兩個機構擁有的三個探測器聯合探測到了壹個新的雙黑洞合並的引力波事件。這個消息壹定會讓妳立刻又高興得跳起來！或許在歡呼雀躍的同時，有些人心裏會產生壹個新的疑問:“為什麽探測到的引力波信號都是來自雙黑洞合並？沒有其他類型的引力波源了嗎？”我們應該相信會有面包和牛奶。
引力波探測開啟了人類觀測宇宙的新窗口，引領我們進入引力波天文學研究的新時代。兩年來，引力波探測取得了巨大成功。那麽引力波的春風會給哈勃常數的測量帶來新的希望嗎？答案是肯定的。通過兩顆致密星合並的引力波信號可以得到源的光度距離，這就使引力波成為了“標準哨”。這是因為雙星合並引力波的振幅、頻率和頻率導數，特別是在軌道運行階段，取決於源的質量和距離。如果有電磁對映體或宿主星系提供紅移信息，那麽就可以利用距離紅移關系來測量哈勃常數。用引力波測量哈勃常數最早是由德國愛因斯坦研究所前所長伯納德·f·史高斯在1986 [14]年提出的。當時愛因斯坦研究的都是什麽都做的研究組，組長是陳雁北。(陳雁北:愛因斯坦甚至無法想象我們真的探測到了引力波！|獨家專訪)
如果未來引力波及其電磁對映體或宿主星系的數據能夠給出新的、獨立的哈勃常數測量，無疑將是宇宙學的重要進展。
參考資料:
哈勃，E.(1929)。“河外星雲之間距離和徑向速度的關系”。美國國家科學院院刊。15(3):168–73。
[2]冉立，《距離階梯與宇宙膨脹(上)——哈勃定律的發現》，賽先生天文學，/s/Sgbw6W3SLKADE-KCz6gWPQ。
[3]冉立，《距離階梯與宇宙膨脹(二)——哈勃常數的測量》，賽先生天文學，/s/VnvrwtWSgvUQnLtGwDrvVg。
[4] Baade，W.(1956)“造父變星的周期-光度關系”。美國國家科學院院刊
[5]弗裏德曼，W. L .等人(2001)。“哈勃太空望遠鏡測量哈勃常數的關鍵項目的最終結果”。天體物理學雜誌。553(1):47–72。
[6] Riess，A. G .等人，(1998)“來自超新星的加速宇宙和宇宙常數的觀測證據”。天文學報. 116(3):1009–38。
[7]佩爾穆特等人(1999)。“對42顆高紅移超新星的ω和λ的測量”。天體物理學雜誌。
[8]貝爾納爾，J. L .貝爾德，l .，& amp“H0的麻煩”。宇宙學和天體粒子物理學雜誌，10，019
[9]普朗克協作，Ade，P. A. R .等人(2014)“普朗克2013結果。十六。宇宙學參數"，天文學與。天體物理學，571，A16
[10] Riess，A. G .等人(2011)“3%溶液:用哈勃空間望遠鏡和寬視場照相機3測定哈勃常數”。天體物理學雜誌，730，119
[11]普朗克協作，Ade，P. A. R .等人(2016)“普朗克2015結果。十三。宇宙學參數”。天文學和天文學。天體物理學，594，A13
[12] Riess，A. G .等人(2016)“哈勃常數局部值的2.4%測定”。天體物理學雜誌，826，56。
[13]弗裏德曼，自然天文學，1，0169(2017)
史高斯，自然323，310- 311，(1986)。
作者簡介
陳雲，2012在北京師範大學天文系獲得博士學位，20113在美國堪薩斯州立大學物理系學習，2012-2013在國家天文臺擔任助理研究員。他的主要研究方向是宇宙學、暗能量理論和觀測與測試。