大爆炸艺术概念图
宇宙膨胀是天文研究的一大焦点。天文学家将望远镜对准特定恒星和其它源头，测算它们与地球之间的距离以及远离地球的速度。这两个参数对估算哈勃常数至关重要。哈勃常数是一个用于描述宇宙膨胀速度的计量单位。但迄今为止，绝大多数精密观测得出的哈勃常数始终存在很大差异，导致科学家无法得出宇宙具体膨胀速度的一个决定性答案。科学家相信确定膨胀率有助于揭示宇宙的起源、命运以及是否会永远膨胀下去或者最终发生崩塌。
麻省理工学院和哈佛大学的科学家提出了一种更准确更独立的方式，来测算哈勃常数。具体地说，就是利用一种较为罕见的系统——黑洞-中子星双体系统释放的引力波。这是一个能量惊人的组合，由一个螺旋运动的黑洞和一颗中子星构成。它们彼此环绕并最终对撞，放射出足以摇晃太空的引力波和异常耀眼的闪光。
黑洞吞噬中子星
在7月12日发表于《物理评论快报》的一篇论文中，研究人员指出这种闪光有助于科学家估算黑洞-中子星双体系统的速度，或者说远离地球的速度。如果能够在地球上探测到该系统放射的引力波，科学家能够对它的距离进行一次独立精确测算。研究人员表示虽然黑洞-中子星双体系统极为罕见，但如果能够探测到这种系统，哪怕只有几个，也能对哈勃常数进行迄今为止最精确的测算，进而确定宇宙膨胀速度。
研究论文主执笔人、麻省理工学院物理学助理教授萨尔瓦特莱·维塔勒表示：“黑洞-中子星双体系统是一个非常复杂的系统，我们对它们知之甚少。如果能够观测到这样的系统，我们将对宇宙学研究做出巨大贡献，进一步加深对宇宙的认知。”值得一提的是，哈佛大学的陈信宇（音）是论文的合著者。
1990年，“发现”号航天飞机将哈勃望远镜送入太空
最近，科学家对哈勃常数进行了两次独立测算，一次是借助美国宇航局的哈勃太空望远镜，一次是利用欧洲航天局的普朗克卫星。哈勃望远镜的测算立基于造父变星（一种较为罕见的恒星）和超新星的观测数据。这两种天体都被科学家视为“标准烛光”。它们的亮度变化具有可预测性，能够帮助科学家估算恒星的距离和速度。
普朗克卫星的测算立基于宇宙微波背景波动的观测数据。宇宙微波背景是大爆炸后残留的电磁辐射，当时的宇宙还处在婴儿时期。虽然两个探测器的观测都极为精确，但哈勃常数的估算结果却存在很大差异。维塔勒说：“在这种情况下，我们便要寄希望于LIGO（激光干涉引力波天文台）。”
宇宙微波背景
LIGO用于探测灾难性天文现象产生的引力波，也就是时空结构泛起的涟漪。维塔勒表示：“LIGO提供了一个非常直接且简单的方式，可帮助测算引力波源头的距离。借助LIGO得出的观测结果是引力波源头距离的直接印记，无需进行其它分析。”
2017年，科学家第一次有机会利用一个引力波源头估算哈勃常数，当时LIGO和意大利的“处女座”引力波探测器首次发现一对相撞的中子星。此次碰撞合并释放出大量引力波，研究人员通过测算，确定该系统与地球之间的距离。此外，这一次的合并还放射出闪光。天文学家利用地面和太空望远镜对闪光进行观测，以确定该系统的速度。
激光干涉引力波天文台（LIGO），用于探测引力波
通过这两种观测，科学家得出哈勃常数的一个新值。不过，这个估算值的不确定性达到14%，远高于借助哈勃和普朗克得出的数值。维塔勒表示如此高的不确定性主要归因于这样一个事实，即利用双中子星系统放射的引力波估算该系统与地球之间的距离。这是一个令人畏惧的挑战。
他说：“我们通过观测引力波的强度来测算距离，这意味着测算结果在很大程度上依赖数据质量。如果数据质量高，观测到的引力波强度大，进而得出一个更准确的距离。但这种方式只在一定程度上适用于双中子星系统。”
普朗克卫星
这是因为双中子星螺旋运动，彼此环绕，形成一个旋转的能量盘并以一种不均衡的方式释放引力波。大部分引力波直接从能量盘的中央喷出，少量引力波从边缘逃逸。如果科学家探测到强烈的引力波信号，可能的解释有两个：探测到的引力波来自于一个距地球很近的双中子星系统的边缘，或者来自一个距地球很远的双中子星系统的中央。维塔勒说：“由于双中子星系统的这种特性，我们很难确定究竟是哪一种情况。”
超级计算机模拟图，黑洞合并释放引力波
2014年，在LIGO首次探测到引力波前，维塔勒和他的同事对一个由黑洞和中子星构成的双体系统进行观测。与双中子星系统相比，这个系统能够让科学家对距离进行更准确测算。黑洞旋转观测能够达到怎样的精确度？研究小组进行了分析。黑洞环绕它们的轴旋转，方式与地球类似，但速度更快。
研究中，科学家对一系列存在黑洞的系统进行了模拟。包括黑洞-中子星双体系统和双中子星系统。作为这项努力的一个副产品，研究小组发现与双中子星系统相比，他们能够更准确测算黑洞-中子星双体系统与地球之间的距离。维塔勒指出这是因为环绕中子星的黑洞旋转，能够帮助科学家进一步确定引力波来自系统的哪个区域。
黑洞吸食伴星的气体
维塔勒说：“由于能够更准确测算距离，我认为黑洞-中子星双体系统是一个强有力的竞争者，可用于测算哈勃常数。2014年后，科学家利用LIGO得出了很多发现，还首次探测到引力波。对黑洞-中子星双体系统的研究则被抛在脑后。”
最近，维塔勒再次将目光聚焦最初的观测。在这篇新论文中，他抛出了一个理论问题。他说：“宇宙中的黑洞-中子星双体系统数量远远不及双中子星系统。是否每一个黑洞-中子星双体系统都能让我得出更精确的距离，进而弥补这种数量不足？”
银河系中央潜伏着一个超大质量黑洞
为了解答这个疑问，研究小组进行模拟，预测两种双体系统在宇宙中的出现以及距离测算的精确度。根据他们的计算结果，即使双中子星系统的数量是黑洞-中子星双体系统的50倍，利用后者估算出的哈勃常数的精确度也与前者相当。更让科学家感到乐观的是，如果黑洞-中子星双体系统更为常见——但仍比双中子星系统罕见——所得出的哈勃常数的精确度可达到后者的4倍。
大爆炸后宇宙迅速膨胀，温度随之降低
维塔勒指出：“迄今为止，科学家一直将目光聚焦双中子星系统，将其作为利用引力波测算哈勃常数的一种手段。我们的研究显示另一个引力波源头——黑洞-中子星双体系统——也是一个不错的选择。但直到现在，科学家仍未对这种系统进行细致研究。”
他说：“LIGO将在2019年再次披挂上阵，获取新的观测数据。届时，这个探测器将拥有更高的灵敏度，能够观测到更为遥远的天体。我认为LIGO至少能发现一个黑洞-中子星双体系统，运气好的话，能够发现25个。这些发现有望在未来几年帮助我们消除哈勃常数测算结果的巨大差异。”
