幾十年來，天文學家已經知道宇宙正在膨脹。為了確定它目前的成長速度，科學家計算了一個稱為哈伯常數的數值。使用多種獨立技術來測量它們，並且由於它們基於相同的基礎物理原理，因此它們應該給出一致的結果。相反，基於早期宇宙觀測的測量與來自較近代宇宙的測量相衝突。這種巧合被稱為哈伯張力，是現代宇宙學中最重要的未解決問題之一。
來自伊利諾大學香檳分校和芝加哥大學格蘭傑工程學院的天文物理學家和宇宙學家團隊提出了一種利用重力波（時空的小波）計算哈伯常數的新方法。他們的方法提高了早期基於重力波的技術的準確性。隨著探測器變得更加靈敏，這種方法可以提供更精確的測量，幫助科學家縮小哈伯應變背後的差距。
伊利諾伊州物理學教授尼古拉斯·尤內斯（Nicolás Yunes）表示：「這一結果非常重要；獲得哈伯常數的獨立測量結果對於解決哈伯當前的壓力非常重要。我們的方法是一種創新方法，可以提高利用引力波推論哈伯常數的準確性。」尤內斯是厄巴納校校校校校校中心高級研究中心 (ICASU) 的創始董事。
芝加哥大學物理、天文學和天體物理學教授、該研究的合著者丹尼爾·霍爾茲（Daniel Holz）表示：“宇宙學的全新工具並不是每天都會被創造出來的。我們表明，通過利用遙遠星系中黑洞合併產生的背景引力波，我們可以使用一種令人興奮且具有前瞻性的新方法來了解宇宙的年齡和組成，我們將這種方法應用於未來的數據集，以幫助約束哈勃常數，以及其他關鍵的宇宙學量。”
研究團隊還包括伊利諾伊州物理學研究生布萊斯·考辛斯 (Bryce Cousins)，他是美國國家科學基金會 (NSF) 研究生研究員，也是該研究的主要作者；伊利諾伊州物理學研究生 Kristen Schumacher，美國國家科學基金會研究生研究員； Ka-wai Adrian Chung 伊利諾伊州物理學博士後研究員；以及芝加哥大學博士後研究員，他們都是英國大學博士後的 Mbot Talbot 和研究結果已於當年接受發表 體檢信 它將出現在 3 月 11 日的期刊中。完整論文現已在 arXiv 上提供。
科學家如何測量宇宙的膨脹
自 1900 年代初以來，研究人員一直依靠兩種主要策略來測量宇宙膨脹。一種方法使用電磁觀測，另一種方法使用重力波。一種流行的電磁方法涉及“標準蠟燭”，例如超新星，這是強大的爆炸恆星。現在天文學家了解了這些事件的實際亮度，他們可以計算出它們與地球的距離以及它們遠離地球的速度。結合這些數字揭示了宇宙的膨脹率。
近年來，重力波開闢了另一條道路。當黑洞等非常緻密的物體碰撞時，就會產生這些波。波以光速在空間中傳播，就像將石頭投入井中後在水中傳播的圓形波一樣。在地球上，由 2,000 多名成員組成的全球網路 LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration (LVK) 檢測到這些訊號。
重力波也可用於使用所謂的標準海妖方法來估計距離。然而，確定由於宇宙膨脹造成的源頭有多遠更加困難。為了測量這個速度，天文學家通常需要偵測合併發出的光或識別發生合併的星系。
理想情況下，所有這些技術都指向相同的哈伯常數。相反，他們不同意。如果緊張局勢持續存在，這可能表明科學家需要修改他們對早期宇宙的理解。所提出的解釋包括早期暗能量、暗物質和中微子之間的相互作用，或暗能量行為隨時間的變化。
重力波背景的一種新方法
在他們的最新工作中，尤內斯、考辛斯和他們的同事描述了一種透過分析當前探測器無法單獨捕獲的黑洞碰撞來計算哈伯常數的新方法。這些無數的弱事件共同創造了所謂的引力波谷。
「因為我們正在觀察單一黑洞碰撞，所以我們可以確定宇宙中這些碰撞的速率。根據這些速率，我們預計還會有更多我們無法觀察到的事件，稱為重力波背景，」考辛斯解釋道。
研究小組表明，如果哈伯常數較小，宇宙的總可觀測體積也會更小。這意味著黑洞碰撞被壓縮到更緊密的空間中，增加了重力波背景的整體強度。如果在一定水準上未偵測到該背景訊號，則排除較慢的傳播速率。
研究人員將他們的方法稱為隨機警報法，反映了影響重力波底部的碰撞的隨機性質。
該團隊使用目前的 LVK 數據測試了他們的方法。即使沒有直接探測重力波背景，他們也能夠排除特別慢的膨脹率。當他們將隨機 Siren 方法與單一黑洞合併的現有測量相結合時，他們獲得了對哈伯常數的更準確的估計。他們的結果落在與哈伯應變相關的範圍內，顯示了該方法銳化未來測量的潛力。
隨著重力波觀測站的改進，這個策略應該變得更強大。科學家希望在大約六年內探測到重力波的底部。在那之前，對背景訊號日益嚴格的限制將繼續縮小哈伯常數的可能範圍。
考辛斯說：“隨著我們不斷提高靈敏度、更好地約束甚至可能檢測到引力波背景，這應該為這種方法的未來應用鋪平道路。” “通過整合這些信息，我們希望獲得更好的宇宙學結果，並更接近解決哈伯應變。”
研究支援和 IT 資源
該分析基於伊利諾伊州校園集群，由伊利諾伊州校園集群計劃與國家超級計算應用中心合作管理。
資金來自 NSF 研究生研究獎學金計劃，撥款編號為 DGE 21-46756 和 DGE-1746047，以及 NSF 獎項 PHY-2207650、PHY-2207650 和 PHY2110507。西蒙斯基金會 (Simons Foundation) 提供了額外的支持，獎項編號為 896696，NASA 提供的獎項編號為 80NSSC22K0806。通過沒有。艾瑞克和溫蒂·施密特人工智慧科學博士後獎學金和卡維裡宇宙物理研究所也透過卡維裡基金會和創始人弗雷德·卡維裡的捐贈提供了支持。所提出的結論是研究者的結論，不一定是資助機構的結論。
