空間引力波天文臺聯網觀測研究獲進展

哈勃常數（H0）是刻畫當前宇宙膨脹速率的重要物理參數。近幾年，高紅移宇宙微波背景輻射和星系巡天的重子聲學振盪給出的哈勃常數（H0=67.4±0.5），與低紅移的Ia型超新星給出的哈勃常數（H0=74.0±1.4），顯示出不一致性（大於4個標準偏差）。這一問題被稱爲“哈勃危機”，引起了天文學界和物理學界的關注。引力波作爲觀測宇宙的新窗口，可以對解決哈勃常數危機提供全新的思路。近日，北京師範大學天文系博士研究生王仁杰、教授胡彬，深圳技術大學助理教授楊青，中國科學院理論物理研究所博士生阮文洪、研究員郭宗寬和蔡榮根合作研究，通過對宇宙學尺度上的超大質量雙黑洞系統產生的引力波波形信號的分析，未來的LISA-Taiji空間引力波天文臺的聯網觀測數據將大幅度地提高引力波事例的空間定位能力。藉助這一優勢，人們可以利用不依賴於引力波電磁對應體的“暗汽笛”方法與5年的聯網觀測，有望將哈勃參數的限制精度提升到1%以內，這對解決“哈勃危機”具有重要意義。

不同的哈勃常數測量方法的重要意義不僅在於給出的測量精度本身的高低，而且在於不同觀測方法能揭示出的測量結果不一致的背後根源。一方面，高紅移的宇宙微波背景輻射和星系巡天的重子聲學振盪數據是當前天體物理和宇宙學領域中測量精度最高的兩類觀測數據。正是二者在過去近幾十年的迅猛發展將宇宙學推進到“精確宇宙學”時代。然而，利用這兩類數據對哈勃常數的測量依賴於標準宇宙學模型LCDM的假定。另一方面，根據距離校準後的Ia型超新星可以直接給出對哈勃常數的測量。這一結果不依賴於對宇宙學模型的假設。因此，若真實的哈勃常數與低紅移測量給出的數據相符，那麼這意味着我們需要對目前廣爲接受的標準宇宙學模型作出修正。這蘊含着偏離標準宇宙學模型的新物理。

中科院空間引力波天文臺——“太極計劃”（Taiji）與歐盟和美國聯合研製中的LISA空間引力波天文臺將均以繞日軌道運行，兩者計劃在2035年左右發射升空，將在毫赫茲頻段以極高的精度測量來自於超大質量黑洞雙星等天體源所發射的引力波信號。而引力波信號相對於傳統的電磁波信號而言，具有更純淨的產生和校準機制，是測量哈勃常數的理想方式。前期研究表明，二者聯網觀測的話，可以極大地提高確定引力波信號源的方位角和距離（Nature Astron. 4 (2020) 108）。胡彬等的研究工作對“LISA-Taiji”引力波聯合探測網絡限制哈勃常數能力給出了細緻的分析，顯示了未來空間引力波探測計劃對確定哈勃常數的重要科學意義。

胡彬爲論文通訊作者。相關研究成果在線發表在《國家科學評論》上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部和中科院的資助。

空間引力波天文臺聯網觀測研究獲進展

空間引力波天文臺聯網觀測研究獲進展

來源：中國科學院理論物理研究所