科学家提出用黑洞碰撞数据来测量宇宙膨胀速度

科学家提出用黑洞碰撞数据来测量宇宙膨胀速度宇宙是如何进化的？芝加哥大学的天文学家提出了“spectralsiren”的方式，来探索这个问题的答案。黑洞就像是宇宙中的“回收站”，而科学家希望通过某种技巧收集这些消失的宇宙信息，从而揭示宇宙历史的奥秘。在最新的一项研究中，两名芝加哥大学的天文学家，提出了一种使用多组黑洞碰撞时观测到的数据，来测量宇宙扩张的速度。理论上这有助于帮助天文学家理解宇宙是如何进化的、宇宙是由哪些东西组成的，以及宇宙未来的发展趋势。尤其要指出的是，这两位天文学家认为这项名为“Spectralsiren”的新技术，或许能够揭示宇宙中难以捉摸的“青少年”时代的细节。宇宙膨胀的速度一直是重大的科学辩论主题，它在学术界也称之为“哈勃常熟”（HubbleConstant）。但目前宇宙膨胀率的测量方式有很多种，但得出的结果略有不同。为了帮助解决这一冲突，科学家们渴望找到衡量这一比率的替代方法。验证这个数字的准确性尤其重要，因为它会影响我们对宇宙年龄、历史和构成等基本问题的理解。这项新的研究提供了一种更新奇的方式，使用特殊的探测器来捕捉黑洞碰撞的宇宙回声。有时候两个黑洞会互相撞击，从而在时空中产生了一道穿越宇宙的涟漪。在地球上，美国激光干涉引力波天文台(LIGO)和意大利Virgo天文台可以拾取这些涟漪，这些涟漪被称为引力波（gravitationalwaves）。在过去几年时间里，LIGO和Virgo已经观测到了将近100起黑洞撞击事件。每次碰撞产生的引力波信号都包含有关黑洞质量的信息。然而，信号一直在穿越太空，在此期间宇宙已经膨胀，这改变了信号的特性。该论文的两位作者之一，芝加哥大学天体物理学家丹尼尔·霍尔兹（DanielHolz）解释说：“例如，如果你把一个黑洞放在宇宙的早期，它的信号会发生变化，它看起来像一个比实际更大的黑洞”。而这种方式可能提供了一个独特的窗口，用于观察其他测量手段无法观察到的宇宙“青少年”时期。如果科学家们能够找到一种方法来测量该信号如何变化，他们就可以计算出宇宙的膨胀率。问题是校准：他们怎么知道它与原来的变化有多大？在他们的新论文中，Holz和第一作者JoseMaríaEzquiaga建议他们可以使用我们关于整个黑洞种群的新知识作为校准工具。例如，目前的证据表明，大多数检测到的黑洞的质量是太阳质量的5到40倍。美国宇航局爱因斯坦博士后研究员和卡夫利宇宙物理研究所研究员Ezquiaga说：“所以我们测量附近黑洞的质量并了解它们的特征，然后我们再往远处看，看看那些更远的黑洞似乎发生了多大的变化，这可以让你测量宇宙的膨胀”。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1304919.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1304919.htm

“完美配对”的黑洞平衡了引力和宇宙膨胀

“完美配对”的黑洞平衡了引力和宇宙膨胀南安普顿大学的研究人员与剑桥大学和巴塞罗那大学的同事合作，证明了理论上黑洞有可能以完全平衡的方式成对存在--在宇宙力的作用下保持平衡--模仿单个黑洞。黑洞是一种巨大的天体，具有极强的引力，连光都无法逃脱。它们的密度惊人。黑洞可以把地球的质量装进豌豆大小的空间里。宇宙运动对黑洞的作用传统的黑洞理论以爱因斯坦的广义相对论为基础，通常解释静止或旋转的黑洞如何能够独立存在于太空中。成对的黑洞最终会被引力阻挡，因为引力会把它们吸引到一起，直到最终发生碰撞。然而，如果假设宇宙是静止不动的，情况就会如此。那么，不断运动的宇宙呢？在一个不断膨胀的宇宙中，是否会有成对的黑洞和谐存在，也许会伪装成一个黑洞呢？当两个黑洞的引力（红色箭头）被与宇宙常数相关的宇宙膨胀（蓝色箭头）抵消时，它们可以保持固定的距离。对于遥远的观测者来说，这种情况就像是单个黑洞。图片来源：APS/AlanStonebraker南安普顿大学的奥斯卡-迪亚斯（OscarDias）教授说："宇宙学标准模型假定，宇宙大爆炸使宇宙诞生，大约98亿年前，宇宙被一种神秘的力量（被称为'暗能量'）所支配，这种力量以恒定的速度加速宇宙的膨胀。宇宙常数的影响科学家们把这种神秘的力量称为'宇宙常数'。在爱因斯坦理论解释的具有宇宙常数的宇宙中，黑洞沉浸在宇宙加速背景中。这就改变了黑洞如何相互作用并共同存在的理论标准。通过复杂的数值方法，这项最新研究背后的团队表明，两个静态（非旋转）黑洞可以平衡存在--它们的引力吸引力被与宇宙常数相关的膨胀所抵消。即使在宇宙不断膨胀的加速过程中，黑洞之间的距离仍然保持不变。尽管宇宙膨胀试图将它们拉开，但引力吸引力会对它们起到补偿作用。"从远处看，一对黑洞的吸引力被宇宙膨胀所抵消，看起来就像一个黑洞。可能很难探测到它是一个黑洞还是一对黑洞，"迪亚斯教授评论说。剑桥大学的豪尔赫-桑托斯教授补充说："我们的理论是针对一对静态黑洞提出的，但我们相信它也可以应用于旋转黑洞。此外，我们的解决方案似乎还可以适用于三个甚至四个黑洞，这将带来一系列的可能性"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1391871.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1391871.htm

新模型模拟出碰撞的黑洞在时空结构中发出的涟漪

新模型模拟出碰撞的黑洞在时空结构中发出的涟漪这个新模型很重要，因为它最终为科学家们提供了一种方法来准确测量这些波纹在穿越时空时如何相互作用。能够更清晰地呈现出黑洞碰撞如何产生这些波纹的画面，也可以让科学家对碰撞本身有更多了解。科学家们计划使用引力波探测器，如激光干涉仪引力波观测站（LIGO）来研究这些黑洞碰撞产生的波纹事件。以前的模型总是依赖于线性数学，而从未研究过波浪如何相互影响。不过，通过用新的模型来观察，我们终于可以更好地理解碰撞的黑洞。模拟中的碰撞黑洞图片来源：美国宇航局戈达德空间站、美国宇航局戈达德太空飞行中心/YouTube这个新模型的基础是由模拟极限时空（SXS）团队创建的。这个程序是在一台超级计算机上运行的，它模拟碰撞的黑洞，以更好地研究合并产生的涟漪。这使科学家们能够更深入地挖掘，揭示出科学家在其他方面没有发现的非线性效应。研究人员最大的希望是，新的发现将有助于为下一代的引力波探测器铺平道路。此外，这样做将使我们能够扩大对碰撞黑洞的理解，以及这些大规模的合并实际上如何影响我们宇宙的基础。此外，它将帮助我们确定广义相对论是否是黑洞的正确引力理论。黑洞也在教给科学家更多关于宇宙如何膨胀的知识，有些人甚至认为，这些宇宙之谜可能是外星人创造的巨大的量子数据超级计算机。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1345989.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1345989.htm

宇宙碰撞：带有巨大黑洞的矮星系揭开了早期宇宙的秘密

宇宙碰撞：带有巨大黑洞的矮星系揭开了早期宇宙的秘密科学家们认为，宇宙在大爆炸后的几亿年里充斥着小型星系，被称为"矮星系"。大多数星系在早期宇宙的拥挤、较小的体积中与其他星系合并，启动了现在在附近宇宙中看到的越来越大的星系的建造过程。根据定义，矮星系包含总质量小于太阳30亿倍的恒星，而银河系的总质量估计约为600亿个太阳。最早的矮星系是不可能用目前的技术来观测的，因为它们在很远的距离上是非常微弱的。天文学家已经能够在距离地球更近的地方观察到两个正在合并的星系，但两个星系都没有黑洞的迹象。领导这项研究的阿拉巴马大学塔斯卡卢萨分校的MarkoMicic说："天文学家已经在相对较近的大星系中发现了许多黑洞碰撞的例子。但是在矮星系中寻找它们的挑战要大得多，直到现在还没有成功。"Mirabilis的X射线和光学合成图。这项新的研究克服了这些挑战，通过对钱德拉X射线深层观测进行系统调查，并将其与来自美国宇航局的宽红外测量探测器（WISE）的红外数据和来自加拿大-法国-夏威夷望远镜（CFHT）的光学数据进行比较。钱德拉对这项研究特别有价值，因为黑洞周围的物质可以被加热到数百万度，产生大量的X射线。研究小组在碰撞的矮星系中寻找成对的明亮X射线源作为两个黑洞的证据，并发现了两个例子。"我们已经在碰撞的矮星系中确定了第一对不同的黑洞，"共同作者OliviaHolmes说，他也来自阿拉巴马大学塔斯卡卢萨分校。"利用这些系统作为早期宇宙中的类似物，我们可以深入研究关于第一批星系、它们的黑洞以及碰撞所导致的星体形成的问题。"Elstir&Vinteuil的X射线和光学合成。一对位于距离地球7.6亿光年的Abell133星系团中，另一组在Abell1758S星系团中，它距离地球约32亿光年。这两对星系都显示出结构，是星系碰撞的特征迹象。位于Abell133的这对星系似乎处于两个矮星系合并的后期阶段，并显示出一个由碰撞产生的潮汐效应造成的长尾。这项新研究的作者给它起了个绰号叫"Mirabilis"，这是根据一种以特别长的尾巴著称的濒危蜂鸟的名字。只选择了一个名字，因为两个星系合并成一个星系的过程几乎已经完成。在Abell1758S中，研究人员给合并的矮星系起了个绰号"Elstir"和"Venteuil"，这是以MarcelProust的《寻找逝去的时光》中的虚构艺术家命名的。研究人员认为这两个已经陷入了合并的早期阶段，导致星星和气体的桥梁连接两个碰撞的星系。合并的黑洞和矮星系的细节可能为我们的银河系自身的过去提供启示。科学家们认为几乎所有的星系都是从矮星系或其他类型的小星系开始的，并在数十亿年中通过合并而成长。共同作者、阿拉巴马大学塔斯卡卢萨分校的布伦娜-韦尔斯说："早期宇宙中的大多数矮星系和黑洞到现在可能已经变大了，这要归功于反复的合并。在某些方面，矮星系是我们的星系祖先，经过数十亿年的演变，产生了像我们自己的银河系这样的大星系。""对这两个系统的后续观测将使我们能够研究对理解星系及其黑洞的婴儿至关重要的过程，"共同作者JimmyIrwin说，他也来自阿拉巴马大学塔斯卡卢萨分校。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1354087.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1354087.htm

新证据表明黑洞推动了宇宙的膨胀

新证据表明黑洞推动了宇宙的膨胀自20世纪20年代末以来，天文学家就知道宇宙正在膨胀，几十年来，人们认为这种膨胀的速度会随着时间的推移而减慢。毕竟，引力将事物拉得更近，而宇宙中所有物质的引力被认为是在拖累一切。但是在20世纪90年代，使用哈勃太空望远镜的天文学家们有了一个意外的发现--完全相反的情况正在发生。一个物体离我们的制高点越远，它似乎离我们越快，这表明宇宙的膨胀正在随着时间的推移而加速。在当时的模型中没有任何解释，一种被称为"暗能量"的力量被提出来，它以越来越快的速度将一切事物从其他事物中推开。从那时起，天文学家一直在寻找这种暗能量的迹象，根据它似乎具有的特性。而在一项新的研究中，一个国际科学家小组声称已经发现了暗能量可能藏身的地方--黑洞内部的证据。与我们可能认为的相反，真空并不是完全空的-随机的量子波动产生了所谓的真空能，它施加了一种向外的压力，可以对抗引力并驱动宇宙的膨胀。在一些模型中，可以在黑洞中发现真空能，而在新的研究中，研究小组首次发现了这方面的观测证据。天文学家们首先研究了过去90亿年来星系中心的超大质量黑洞的演变。这些黑洞主要通过吞噬尘埃、气体、恒星和其他黑洞来获得质量，但在一些星系，即所谓的巨椭圆星系中，这种原料会枯竭。那么应该可以预期，椭圆星系中的超大质量黑洞会停止增长。研究人员将遥远的椭圆星系中这些黑洞的质量（人们看到的是数十亿年前的样子）与那些在空间和时间上更接近我们的黑洞进行了比较。果然，现代椭圆星系中的超大质量黑洞比90亿年前的质量要大7到20倍。这表明，超大质量黑洞也可以通过其他机制获得质量。而如果它们含有真空能量，它们将既促进宇宙的膨胀，又从这个过程中获得质量，这种现象被称为宇宙学耦合。研究小组说，这是黑洞含有真空能量的第一个观测证据，当他们计算数字时，他们发现这可以解释今天在宇宙中测量的暗能量的数量。虽然不乏其他暗能量来源的建议，但该团队表示，这个新模型可能是最简洁的。这是因为它不需要在我们现有的模型中加入任何新的元素--正如爱因斯坦的广义相对论所预测的那样，这个缺口可以由黑洞来填补。新模型还解释了另一个宇宙学难题。在目前的模型中，黑洞被认为是将落入其中的一切压缩成一个无限密集的奇点，一个物理定律崩溃的点。它们在数学上应该是不可能的，所以物理学家要么为它们找到变通办法，要么认为它们意味着我们的模型是不完整的。但是如果黑洞含有真空能量，奇点就不再需要存在，这可能是我们理解上的一个重大突破，也是新模型的进一步证据。尽管这项研究耐人寻味，但还需要进一步的研究和观测来证实这个模型。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1345337.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1345337.htm

宇宙膨胀速度还在加快 科学家正寻求新的解释

宇宙膨胀速度还在加快科学家正寻求新的解释天文学家发现，宇宙膨胀正在加速，很可能是由于暗能量的作用，正如LambdaCDM模型所描述的那样。然而，膨胀率测量结果（即哈勃张力）的不一致性正促使人们研究新理论和修改现有模型。对天文学家来说，星系发出的光波长越长，星系远离我们的速度就越快。星系离我们越远，它的光线就越偏向光谱红色一侧的长波长--因此"红移"就越大。宇宙中的时间和距离因为光速是有限的、快速的，但并不是无限快的，所以看到远处的东西意味着我们看到的是它过去的样子。对于遥远的高红移星系，我们看到的是宇宙年轻时的样子。因此，"高红移"对应的是宇宙的早期，而"低红移"对应的是宇宙的晚期。詹姆斯-韦伯太空望远镜（JamesWebbSpaceTelescope）的深场图像显示了宇宙中闪闪发光的星系。这是迄今为止最深、最清晰的遥远宇宙红外图像。这张星系团SMACS0723的图像被称为"韦伯第一深场"，细节丰富。图片来源：NASA、ESA、CSA和STScI但随着天文学家对这些距离的研究，他们了解到宇宙不仅在膨胀，其膨胀速度还在加快。这种膨胀速度甚至比主要理论预测的还要快，这让像我这样的宇宙学家感到困惑，并在寻找新的解释。加速膨胀与暗能量科学家把这种加速的源头称为暗能量。我们还不太清楚是什么驱动了暗能量，也不知道它是如何工作的，但我们认为它的行为可以用宇宙学常数来解释。阿尔伯特-爱因斯坦最初提出了这个常数--他在广义相对论中用lambda标记了它。有了宇宙常数，随着宇宙的膨胀，宇宙常数的能量密度保持不变。想象一个装满粒子的盒子。如果盒子的体积增大，粒子的密度就会减小，因为它们会分散开来占据盒子里的所有空间。现在想象同一个盒子，但随着体积的增大，粒子的密度保持不变。这似乎并不直观，对吗？宇宙常数的能量密度并没有随着宇宙的膨胀而减少，这当然非常奇怪，但这一特性有助于解释加速膨胀的宇宙。LambdaCDM：宇宙学标准模型目前，宇宙学的主要理论或标准模型被称为"LambdaCDM"。Lambda表示描述暗能量的宇宙常数，CDM代表冷暗物质。这个模型既描述了宇宙晚期的加速度，也描述了宇宙早期的膨胀率。具体来说，LambdaCDM可以解释宇宙微波背景的观测结果，即宇宙大爆炸后大约30万年时宇宙处于"高温、高密度状态"时的微波辐射余辉。利用普朗克卫星测量宇宙微波背景的观测结果，促使科学家们创建了LambdaCDM模型。将LambdaCDM模型与宇宙微波背景拟合，物理学家就可以预测哈勃常数的值，哈勃常数实际上并不是一个常数，而是描述宇宙当前膨胀速度的一个测量值。但是，LambdaCDM模型并不完美。科学家们通过测量星系距离计算出的膨胀率，与LambdaCDM利用宇宙微波背景观测数据描述的膨胀率并不一致。天体物理学家将这种分歧称为哈勃张力。宇宙膨胀的速度比流行的宇宙学模型预测的要快。资料来源：NASA/WMAP科学小组哈勃张力在过去的几年里，科学家一直在研究如何解释哈勃张力。这种张力可能表明LambdaCDM模型不完整，物理学家应该修改他们的模型，也可能表明研究人员是时候对宇宙的运行方式提出新的想法了。对于物理学家来说，新想法总是最令人兴奋的。解释哈勃张力的一种方法是修改LambdaCDM模型，改变宇宙晚期低红移时的膨胀率。像这样修改模型可以帮助物理学家预测可能是哪种物理现象导致了哈勃张力。例如，也许暗能量并不是宇宙常数，而是引力以新的方式发挥作用的结果。如果是这样的话，暗能量就会随着宇宙的膨胀而演化--而宇宙微波背景显示的是宇宙诞生几年后的样子，它对哈勃常数的预测就会有所不同。但是，团队的最新研究发现，物理学家无法仅仅通过改变宇宙晚期的膨胀率来解释哈勃张力--这一类的解决方案都不成立。探索新模型为了研究哪些类型的解决方案可以解释哈勃张力，加州大学开发了统计工具，使我们能够测试改变晚期宇宙膨胀率的整类模型的可行性。这些统计工具非常灵活，可以用它们来匹配或模仿不同的模型，这些模型有可能符合宇宙膨胀率的观测结果，也有可能为哈勃张力提供一种解决方案。测试的模型包括不断演化的暗能量模型，即暗能量在宇宙中不同时期的作用不同，科学家们还测试了暗能量-暗物质相互作用模型（暗能量与暗物质相互作用）和修正引力模型（引力在宇宙中不同时期的作用不同）。但这些模型都无法完全解释哈勃张力。这些结果表明，物理学家应该研究早期宇宙，以了解张力的来源。作者：RyanKeeley，加州大学默塞德分校物理学博士后...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1397839.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1397839.htm