探索宇宙奧秘 · 理性思考

想象一下，你正試圖測(cè)量一片汪洋大海的洋流速度。你是選擇盯住幾艘孤零零的帆船，記錄它們漂移的軌跡？還是去感受整個(gè)海洋那種無(wú)處不在、永不停歇的涌動(dòng)？

現(xiàn)在，一個(gè)由伊利諾伊大學(xué)和芝加哥大學(xué)組成的物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)，決定換種思路。他們不再只盯著那些引人注目的孤立“帆船”，而是把耳朵貼在水面下，試圖去“聽”整個(gè)海洋的涌動(dòng)之音。2026年2月24日，他們?cè)凇段锢碓u(píng)論快報(bào)》上發(fā)表了一項(xiàng)研究，展示了一種測(cè)量哈勃常數(shù)的全新方法，利用的正是宇宙中那些我們尚未能一一分辨的、由無(wú)數(shù)黑洞合并產(chǎn)生的引力波背景噪音。

這就好比我們?cè)谝粓?chǎng)交響樂(lè)中，不去聽小提琴獨(dú)奏，而是去感受整個(gè)樂(lè)隊(duì)奏出的和聲。這場(chǎng)宇宙的“背景和聲”，或許正是解開當(dāng)前宇宙學(xué)最大謎題的關(guān)鍵。

要理解這個(gè)新方法有多巧妙，得先簡(jiǎn)單回顧一下我們是怎么測(cè)量宇宙膨脹的。

上世紀(jì)20年代，哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙在膨脹。想測(cè)量膨脹有多快，你需要兩樣?xùn)|西：天體的距離，以及它遠(yuǎn)離我們而去的速度。

到了2015年，LIGO直接探測(cè)到引力波，人類打開了宇宙觀測(cè)的全新窗口。引力波由黑洞或中子星等致密天體碰撞產(chǎn)生，它本身攜帶著天體的“絕對(duì)距離”信息，因此被稱為“標(biāo)準(zhǔn)汽笛”。理論上，如果這個(gè)碰撞同時(shí)有光線發(fā)出（即“亮汽笛”，如2017年的雙中子星并合GW170817），我們就能同時(shí)拿到距離和紅移，完美測(cè)量哈勃常數(shù)。

但問(wèn)題在于，絕大多數(shù)引力波事件都是黑洞合并，它們不發(fā)光，是“暗汽笛”。你無(wú)法知道這個(gè)信號(hào)來(lái)自哪個(gè)星系，也就不知道它的紅移，距離信息就浪費(fèi)了。科學(xué)家們只能靠“猜”，在信號(hào)源可能的位置范圍內(nèi)，統(tǒng)計(jì)所有可能的宿主星系，再取個(gè)平均值。這種方法精度有限。

而伊利諾伊大學(xué)團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新之處，在于他們干脆放棄了尋找單個(gè)“汽笛”的宿主星系。他們把所有目前探測(cè)器還不夠靈敏、無(wú)法單獨(dú)分辨的微弱黑洞合并信號(hào)統(tǒng)統(tǒng)看作一個(gè)整體——引力波背景。這就像你聽不清人群里任何一個(gè)人在說(shuō)什么，但你能感受到整個(gè)會(huì)場(chǎng)的喧鬧程度。

他們給這個(gè)新方法起名叫隨機(jī)汽笛方法。

這個(gè)方法的邏輯鏈條非常精妙，充滿了物理學(xué)的美感。

第一環(huán)：已知的未知。 我們通過(guò)已經(jīng)觀測(cè)到的黑洞合并事件，可以估算出整個(gè)宇宙中黑洞合并的發(fā)生率有多高。既然能看到這么多，那看不見的、更微弱的肯定更多。這些微弱的信號(hào)疊加在一起，就構(gòu)成了一個(gè)恒定的、彌漫在全天的引力波背景嗡嗡聲。

第二環(huán)：宇宙體積與信號(hào)密度的反比關(guān)系。 關(guān)鍵點(diǎn)來(lái)了：如果宇宙膨脹得比較慢（也就是哈勃常數(shù)較小），那么相同紅移范圍內(nèi)，宇宙的總體積就更小。但黑洞合并事件的總數(shù)又基本是固定的（由發(fā)生率決定）。在一個(gè)較小的“盒子”里塞進(jìn)同樣多的事件，這些事件的“密度”就變高了。

第三環(huán)：密度決定背景強(qiáng)度。 黑洞合并事件在宇宙中的密度越高，它們產(chǎn)生的引力波背景信號(hào)就越強(qiáng)。反過(guò)來(lái)講，如果我們的探測(cè)器非常靈敏，卻沒(méi)有探測(cè)到預(yù)期的背景信號(hào)強(qiáng)度，那就能反推出宇宙的膨脹速度可能沒(méi)那么慢（即哈勃常數(shù)較大），因?yàn)檩^大的體積稀釋了事件密度，讓背景信號(hào)弱到我們探測(cè)不到。

這就好比你在一個(gè)空蕩蕩的禮堂里，能聽清每一個(gè)人的低語(yǔ)（單個(gè)可分辨的引力波事件）。但如果禮堂里擠滿了人，雖然你聽不清任何一個(gè)人，但你卻能清晰地感受到那種嘈雜的嗡嗡聲（引力波背景）。而“嘈雜”的程度，直接取決于禮堂里擠了多少人。這個(gè)“人擠人”的程度，就和宇宙體積，進(jìn)而和哈勃常數(shù)掛上了鉤。

研究團(tuán)隊(duì)將這個(gè)新方法應(yīng)用到了LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）合作組的現(xiàn)有數(shù)據(jù)中。他們發(fā)現(xiàn)，即便目前還沒(méi)有真正探測(cè)到引力波背景，但僅僅是“沒(méi)有探測(cè)到”這個(gè)事實(shí)本身，就已經(jīng)能提供信息——它能排除掉宇宙膨脹得太慢的那些可能性。當(dāng)他們把這種新方法與已有的單個(gè)黑洞合并數(shù)據(jù)結(jié)合時(shí)，對(duì)哈勃常數(shù)的測(cè)量精度得到了提升，并且將測(cè)量值推向了一個(gè)更靠近“哈勃張力”爭(zhēng)議中心的區(qū)域。

這項(xiàng)新成果，也讓我們?cè)俅螌徱曋袊?guó)在這個(gè)前沿領(lǐng)域的位置。我們不僅在場(chǎng)，而且在多條戰(zhàn)線上積極布局。

首先，在地面探測(cè)器方面，中國(guó)是LVK國(guó)際合作的重要參與者，來(lái)自中國(guó)的科研人員在數(shù)據(jù)分析、天體物理研究上貢獻(xiàn)頗多。例如，東北大學(xué)張?chǎng)谓淌趫F(tuán)隊(duì)在2025年就發(fā)表了一項(xiàng)成果，他們創(chuàng)新性地利用引力波“暗汽笛”校準(zhǔn)了強(qiáng)引力透鏡時(shí)間延遲系統(tǒng)，以不依賴宇宙學(xué)模型的方式測(cè)量了哈勃常數(shù)。這本身就是對(duì)“暗汽笛”應(yīng)用的一次重要拓展。

在下一代探測(cè)技術(shù)上，中國(guó)正在快步追趕。中山大學(xué)主導(dǎo)的“天琴計(jì)劃”和中科院主導(dǎo)的“太極計(jì)劃”，都旨在將引力波探測(cè)器送上天?？臻g探測(cè)的優(yōu)勢(shì)在于能避開地球的地震噪聲，捕捉到頻率更低的引力波信號(hào)，這些信號(hào)往往對(duì)應(yīng)著更大質(zhì)量的黑洞合并。天琴計(jì)劃的研究人員早已論證過(guò)，未來(lái)利用天琴和歐洲的LISA以及地面的愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡組成多波段觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)哈勃常數(shù)的測(cè)量精度有望達(dá)到1%的驚人水平。 這將是破解“哈勃張力”的終極利器。

再者，探索的腳步不止于引力波。2026年1月，一篇發(fā)表在《天體物理學(xué)期刊》上的研究顯示，中國(guó)科學(xué)家（諸佳明、張冰等）利用117個(gè)快速射電暴（FRBs）的數(shù)據(jù)，也對(duì)哈勃常數(shù)給出了獨(dú)立的測(cè)量約束?？焖偕潆姳┦怯钪嬷辛硪环N神秘的瞬變信號(hào)，它同樣可以作為探針來(lái)研究宇宙。

可以看到，在這場(chǎng)圍繞“哈勃常數(shù)”的全球科學(xué)競(jìng)賽中，中國(guó)科學(xué)家沒(méi)有缺席。從數(shù)據(jù)分析、方法創(chuàng)新到未來(lái)探測(cè)器的布局，我們正以不同的方式切入，試圖為“哈勃張力”這個(gè)難題提供來(lái)自中國(guó)的答案。

宇宙還在用它獨(dú)有的方式“歌唱”，以前我們只聽得見那些最高亢的獨(dú)唱，如今，科學(xué)家們開始學(xué)會(huì)欣賞那無(wú)處不在的“和聲”。無(wú)論是美國(guó)的“隨機(jī)汽笛”，還是中國(guó)的天琴計(jì)劃、快速射電暴研究，都標(biāo)志著宇宙學(xué)研究正從依賴少數(shù)明亮“燈塔”，轉(zhuǎn)向利用更普遍、更微弱的“背景噪音”。這場(chǎng)由“聽得見”到“聽不見”的跨越，或許正是我們無(wú)限接近宇宙真相的必經(jīng)之路。