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引力波有了新用途:测量宇宙年龄,未来还会更精确

2018-01-11 14:0294677奇闻网
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GW170817引力波世界所在的宿主星系NGC 4993

过去两年,至少有五例引力波事件直接验证了爱因斯坦的重力和时空模型。对这些事件的建模也提供了大量恒星形成、伽马射线暴、中子星特征等信息,并首次证明了类似黄金的重元素如何形成的理论。不过现在,天文学家已经利用去年双中子星合并引发的引力波事件来测量宇宙的年龄。

北京时间2017年10月16日晚10时,LIGO-Virgo科学合作组及全球各主要天文台同步宣布:首次直接探测到双中子星并合产生的引力波及其伴随的电磁信号。这一引力波事件正式编号——GW170817,总共有1314名来自世界各地的科学家参与,哈佛—史密森尼天体物理中心(CFA)的多位天文学家也参与其中。

GW170817是人类首次探测到双中子星并合产生的引力波事件

通过分析,CFA的科学家推断出这一引力波事件的固有强度。由于引力波源距离越远,我们能够接受到的引力波强度越弱,据此研究人员测算出引力波源远在1.4亿光年外。

由于宇宙膨胀,引力波源所在的星系NGC4993正远离我们,这一点可以从它的光谱中测量出来。在确定了NGC4993星系距离我们有多远,以及远离我们的速度后,科学家可以据此计算出宇宙膨胀的时间,也就是宇宙的年龄。由于存在一些不确定因素,他们据此计算出宇宙的年龄在119亿~157年之间。

 

通过这一单一事件推算出的宇宙年龄,于依靠传统方法得到的数值大体相同。现在我们通常所知的宇宙年龄是建立在数十年观测基础之上,主要通过宇宙微波背景辐射和星系运动情况来获得。前者通过测量宇宙大爆炸后约40万年的微弱光线分布来推算宇宙年龄,后者则涉及对数万星系的距离和运动的统计分析。

事实上,通过单一的引力波事件就能测量宇宙年龄可以说是非同寻常,但并非每起引力波事件都能如此。在GW170817引力波事件中,得益于引力波源的光学信号,并且既不太远也不太过暗淡,从而能够提供计算宇宙年龄所需的速度值。如果能够对足够多的引力波事件进行大样本的统计计算,得到的年龄值的不确定范围将进一步缩小。

值得一提的是,尽管宇宙微波背景辐射和星系运动计算出的宇宙年龄已经相当精确,但这两种方法获得的结果相互之间存在约10%的差异。

这个差异可能来自观测的误差,但也有天文学家怀疑这反映了某种真实的差异,可能来自宇宙膨胀过程中我们还未曾了解的环节。也许引力波能够在未来解决这一难题。(dogstar)

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