原文标题：Colliding black holes could clock universe's expansion rate
原文作者：Robert Lea
“光谱警报器”方法表明，大质量和致密的宇宙物体之间的合并可以帮助理解宇宙是如何演化的。
黑洞合并发射引力波的示意图。(图片版权:ESA)
科学家们可能已经找到了一种利用黑洞碰撞来测量宇宙膨胀速度的方法，并解决了围绕暗能量的一些神秘问题，暗能量是推动宇宙加速膨胀的神秘力量。
黑洞的剧烈合并会在时空中释放出被称为引力波的涟漪，而这项新技术测量了这些信号的变化，这些变化发生在他们亲身体验宇宙膨胀的过程中。
天文学家从20世纪90年代末就知道宇宙正在加速膨胀，他们称这种膨胀的速度为哈勃常数。但是，当科学家们根据对宇宙的观察和现有理论计算哈勃常数时，他们最终得到了截然不同的值。因此，科学家们希望利用紧密双黑洞对之间的宇宙碰撞，作为团队所称的“光谱警报”，为哈勃常数提供另一种测量技术。最终解决这个紧迫的宇宙学问题，可以更详细地揭示宇宙是如何演化的，以及它最初的样子。
特别是，更好地理解宇宙的演化可以帮助宇宙学家解决一些关于暗能量的关键谜题。暗能量约占宇宙物质和能量的68%，科学家们想要确定这种神秘的力量何时开始主导物质，以及为什么会发生这种转换。
光谱警报法的核心是空间和时间结构中的引力波涟漪，引力波是由强大的宇宙事件发射的，比如中子星和黑洞等大质量致密物体的碰撞和合并。
两个黑洞合并的艺术家构想，很像产生第一个被探测到的引力波的黑洞。
(图片版权:P. Marenfeld/NOAO/AURA/NSF)
在地球上，激光干涉引力波天文台(LIGO)、意大利室女座天文台(Virgo)和日本神冈引力波探测器(KAGRA)等异常灵敏的激光干涉仪可以测量这些微弱的引力波信号。
自2015年9月首次探测到引力波以来，LIGO及其合作仪器已经收集了大约100次远距离合并的数据。每一次探测都给科学家提供了参与合并的黑洞大小的线索。例如，第一次探测到引力波源于两个黑洞的碰撞，每个黑洞的质量大约是太阳的30倍。
新的光谱警报方法表明，引力波信号也可能编码其他信息。具体来说，当这些时空涟漪跨越了巨大的距离和很长的时间尺度到达地球时，它们的信号属性会随着宇宙的膨胀而改变。
该研究的合著者、芝加哥大学天体物理学家丹尼尔·霍尔兹在一份声明中说:“例如，如果你把一个黑洞放在宇宙中更早的时候，信号会发生变化，它看起来会比实际更大。”
为了解开以引力波数据编码的宇宙膨胀速率的信息，科学家们需要知道信号在太空中发射后发生了什么变化。霍尔兹和他的同事认为，新发现的局部黑洞种群可以作为评估这些变化的工具。
“所以我们测量附近黑洞的质量，了解它们的特征，然后我们观察更远的地方，看看更远的那些黑洞似乎发生了多大的变化，”芝加哥大学的天体物理学家何塞María埃兹奎加(Jose María Ezquiaga)在声明中说。“这给了你一个宇宙膨胀的衡量标准。
LIGO项目有两个探测点:一个在华盛顿东部的汉福德附近，另一个在路易斯安那州的利文斯顿附近(如图)。
(图片版权:LIGO合作)
因为引力波像光一样，需要时间从源头传播到地球，探测到这些来自更遥远的黑洞合并的涟漪可以让科学家回顾过去。该研究的作者说，随着LIGO和其他探测器变得更加强大，并从更遥远的事件中收集引力波信号，研究人员也许有一天可以观察到大爆炸后大约38亿年后发生的100亿年前的碰撞。这也是研究人员认为暗能量开始主导其他形式的物质和能量的时候。
“大约在那个时候，我们从暗物质是宇宙中的主导力量转变为暗能量，我们对研究这一关键转变非常感兴趣，”埃兹奎加说。
埃兹奎加和霍尔兹说，测量哈勃常数的光谱报警方法可能比其他技术更有优势，比如测量来自遥远超新星或爆炸恒星的光的频率变化。(这些方法依赖于理解恒星和星系的物理，因此，复杂的物理和天体物理。)
然而，这项新技术所依赖的仅仅是爱因斯坦已经建立好的引力模型即广义相对论，并使用局部黑洞作为内置的校准工具。随着从黑洞碰撞中收集到更多的引力波数据，这种校准将得到改善。
霍尔兹总结道:“我们最好需要数千个这样的信号，在几年内就会有，在未来的一二十年甚至更多。”“到那时，这将是了解宇宙的一种极其强大的方法。”
他们的研究发表在8月3日的《物理评论快报》上。
（全文完，翻译by果然伶俐）
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