导读：宇宙学目前存在两个重大疑难问题：哈勃危机和导致宇宙加速膨胀的暗能量。是否存在一种全新的观测手段，能同时解决这两个“宇宙级”难题？利用引力波测量哈勃常数是有别于当前天文观测测量方式的另一种独立测量途径，同时利用引力波测量暗能量状态方程也与当前其他天文观测极为互补。《中国物理C》2023年第六期的封面文章首次对未来的多波段引力波标准汽笛观测的宇宙学参数限制能力进行了预测分析，通过模拟地面探测、空间探测和脉冲星计时阵列探测三个波段的引力波标准汽笛事件，发现未来多波段引力波标准汽笛观测，有望在精确测量哈勃常数以及探索暗能量本质等方面发挥重要作用。  
精确测量宇宙学参数是破解宇宙学难题的关键手段之一。上世纪70年代，Allan Sandage就曾指出：“精确测量宇宙减速参数   以及宇宙当前的膨胀率   （哈勃常数）可以为宇宙学模型提供重要检验”。1998年，两个超新星观测小组通过Ia型超新星观测测量宇宙减速参数，得到的   值为负数，这表明宇宙正在经历加速膨胀。这一发现使得  Saul Perlmutter、Brian P. Schmidt和Adam G. Riess在 2011年荣获诺贝尔物理学奖。此外，精确测量哈勃常数的值也是当前宇宙学研究的一项重要任务。

哈勃常数刻画宇宙当前的膨胀速率，是宇宙学的关键参数之一，对于理解宇宙的演化、确定宇宙年龄和绝对尺度以及精确检验宇宙学模型等都至关重要。它实际上是首个被提出来的宇宙学参数，由Edwin Hubble在上世纪20年代首次提出，因此哈勃常数实际上已经被测量了将近一个世纪。

测量哈勃常数的值极为困难，原因在于我们需要测量宇宙学尺度上的绝对距离（而不是相对距离），这一点在宇宙学中一直以来都是一个极大的挑战。直到最近二十年，哈勃常数才逐渐地能够被精确测量。但随着测量精度的提高，一个重要的疑难问题也逐渐浮出水面，就是利用早期宇宙观测和晚期宇宙观测得到的哈勃常数的值对不上，二者出现了极为显著的不一致性，这个情况已经被广泛认为引发了新的宇宙学危机，被人们称为“哈勃危机”。

具体来说，通过宇宙微波背景辐射（CMB，早期宇宙观测）且基于宇宙学常数-冷暗物质（ꓥ-cold dark matter，ꓥCDM）模型得到的哈勃常数的值为 67 km/s/Mpc(Mpc表示百万秒差距，约300万光年；精度为0.8%）。而利用晚期宇宙距离阶梯方法测量的哈勃常数的值为74  km/s/Mpc（精度为1.4%），二者之间有约10% 的不一致性，置信度已超过了5倍标准偏差.

另一方面，我们对导致宇宙加速膨胀的暗能量的本质属性仍不清楚。对暗能量状态方程参数（暗能量压强与密度的比值）进行精确测量是帮助解决这一重大科学难题的首要手段。当前最新的CMB+BAO+SN（BAO为重子声学振荡数据，SN为Ia型超新星数据）数据给出了对暗能量状态方程参数的最佳限制，精度约为3%。然而这对于我们理解暗能量的本质还远远不够。

围绕着这两个难题，学界一直在探索新的观测方法。是否存在一种新的观测手段，能够同时满足以下两个要求？1）独立测量哈勃常数的值，帮助确定哈勃常数究竟是67还是74；2）有助于精确测量暗能量状态方程参数，从而进一步理解暗能量的本质。

引力波的成功探测打开了人类观测宇宙的新的窗口。人们发现，引力波观测可被用于精确测量哈勃常数的值，而且在测量暗能量性质方面，引力波也可以提供重要的帮助。因此，未来引力波观测有望被发展为一种重要的宇宙学探针。
 
引力波是爱因斯坦在1916年基于广义相对论预言的现象，它是时空中的“涟漪”。引力波探测持续了近百年，直到2015年，人类才首次探测到引力波信号，这为人类观测宇宙推开了一扇全新的窗。
 
引力波的波形中含有引力波源绝对距离的信息，因此通过分析波形就可以直接提取出距离的信息。此处的关键点有两个：第一，利用引力波可以测量宇宙学尺度的绝对距离；第二，不需要额外的观测对该距离测量进行校准。众所周知，利用造父变星-超新星距离阶梯方法测量绝对距离时，需要对该阶梯进行逐级校准，而这一点被普遍认为会带来难以避免的系统误差。
类比于“标准烛光”，利用引力波测量距离的方法被称为“标准汽笛”。如果我们能够确定引力波源的红移信息，就可以进一步建立距离-红移之间的关系，帮助我们研究宇宙的膨胀历史。

如何获得波源的红移信息呢？根据红移测量方式的不同，可以将标准汽笛分为亮汽笛和暗汽笛。亮汽笛指的是通过探测到由致密双星并合产生的电磁信号（通常称为电磁对应体）来确定红移的引力波标准汽笛。而暗汽笛是指一种不用通过探测电磁对应体来确定红移的方法，而是通过引力波与星系巡天的互相关，利用统计加权的方式获来得红移信息。

目前唯一探测到电磁对应体的亮汽笛  GW170817（2017年8月17日探测到的双中子星并合事件）已经给出了对于哈勃常数的测量，测量值为70 （精度约为14%）。而通过暗汽笛方法（通过引力波定位与星表进行互相关），目前给出的哈勃常数的测量值为67 （精度约为19%）。

基于当前的地面引力波探测对哈勃常数的测量只能达到百分之十几的测量精度，因此目前的引力波观测尚无法解决“哈勃危机”。而在未来的十至二十年，人们将在多个波段探测到大量的引力波事件，利用引力波探索宇宙也必将为宇宙学研究带来重大的机遇。
 
目前地面探测器的敏感频段大概在几赫兹至上千赫兹。而事实上，宇宙中不同引力波源产生的引力波的频率范围是非常宽广的（跨越超过20个数量级），这也意味着未来我们有望在不同的频段上获得引力波标准汽笛数据。未来的多波段引力波标准汽笛数据对宇宙学参数的测量尤其是对哈勃常数以及暗能量的测量会产生什么样的重要影响呢？
图：不同频段内的引力波源以及对应的探测手段。
最近东北大学张鑫教授团队针对此问题进行了研究，相关论文以封面文章的形式发表在《中国物理C》2023年第六期。

论文首次对未来的多波段引力波标准汽笛观测（亮汽笛）的宇宙学参数限制能力进行了预测分析。对于纳赫兹频段的脉冲星计时阵列（pulsar timing array，PTA），模拟了“平方公里阵列”（Square Kilometre Array，SKA）观测的超大质量双黑洞并合事件；对于毫赫兹频段的空间引力波探测，模拟了 “太极计划”观测的大质量双黑洞并合事件；对于高至千赫兹频段的地面引力波探测，模拟了 “宇宙勘探者”（Cosmic Explorer，CE）观测的双中子星并合事件。
通过多波段引力波亮汽笛观测对宇宙学参数进行联合限制，作者发现：（1）未来多波段引力波标准汽笛观测有望精确测量哈勃常数（精度为0.5%），但是无法独立地精确测量暗能量状态方程参数（精度为10%）。这意味着未来的多波段引力波标准汽笛观测在解决“哈勃危机”方面将发挥重要作用。（2）未来多波段引力波标准汽笛观测可以有效打破CMB的参数简并，二者联合对暗能量状态方程参数进行测量，其精度有望达到  2.8%，与当前主流观测所给出的最佳限制精度相当。尽管多波段引力波标准汽笛观测无法单独精确测量暗能量，但与电磁观测的联合限制有望帮助我们深入探索暗能量的本质。该项研究揭示了未来多波段引力波标准汽笛观测在宇宙学参数限制方面的潜在价值。

作者信息：

原文链接：http://cpc.ihep.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-1137/acc8be
                                 
 编辑：四毛
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