宇宙深處的“靜默”之歌：科學家如何從引力波背景噪音中“聽”出

探索宇宙奧秘 · 理性思考

想象一下，你正試圖測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？還是去感受整個海洋那種無處不在、永不停歇的涌動？

現在，一個由伊利諾伊大學和芝加哥大學組成的物理學家團隊，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”整個海洋的涌動之音。2026年2月24日，他們在《物理評論快報》上發表了一項研究，展示了一種測量哈勃常數的全新方法，利用的正是宇宙中那些我們尚未能一一分辨的、由無數黑洞合并產生的引力波背景噪音。

這就好比我們在一場交響樂中，不去聽小提琴獨奏，而是去感受整個樂隊奏出的和聲。這場宇宙的“背景和聲”，或許正是解開當前宇宙學最大謎題的關鍵。

要理解這個新方法有多巧妙，得先簡單回顧一下我們是怎么測量宇宙膨脹的。

上世紀20年代，哈勃發現宇宙在膨脹。想測量膨脹有多快，你需要兩樣東西：天體的距離，以及它遠離我們而去的速度。

到了2015年，LIGO直接探測到引力波，人類打開了宇宙觀測的全新窗口。引力波由黑洞或中子星等致密天體碰撞產生，它本身攜帶著天體的“絕對距離”信息，因此被稱為“標準汽笛”。理論上，如果這個碰撞同時有光線發出（即“亮汽笛”，如2017年的雙中子星并合GW170817），我們就能同時拿到距離和紅移，完美測量哈勃常數。

但問題在于，絕大多數引力波事件都是黑洞合并，它們不發光，是“暗汽笛”。你無法知道這個信號來自哪個星系，也就不知道它的紅移，距離信息就浪費了?？茖W家們只能靠“猜”，在信號源可能的位置范圍內，統計所有可能的宿主星系，再取個平均值。這種方法精度有限。

而伊利諾伊大學團隊的創新之處，在于他們干脆放棄了尋找單個“汽笛”的宿主星系。他們把所有目前探測器還不夠靈敏、無法單獨分辨的微弱黑洞合并信號統統看作一個整體——引力波背景。這就像你聽不清人群里任何一個人在說什么，但你能感受到整個會場的喧鬧程度。

他們給這個新方法起名叫隨機汽笛方法。

這個方法的邏輯鏈條非常精妙，充滿了物理學的美感。

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

第二環：宇宙體積與信號密度的反比關系。 關鍵點來了：如果宇宙膨脹得比較慢（也就是哈勃常數較?。敲聪嗤t移范圍內，宇宙的總體積就更小。但黑洞合并事件的總數又基本是固定的（由發生率決定）。在一個較小的“盒子”里塞進同樣多的事件，這些事件的“密度”就變高了。

第三環：密度決定背景強度。 黑洞合并事件在宇宙中的密度越高，它們產生的引力波背景信號就越強。反過來講，如果我們的探測器非常靈敏，卻沒有探測到預期的背景信號強度，那就能反推出宇宙的膨脹速度可能沒那么慢（即哈勃常數較大），因為較大的體積稀釋了事件密度，讓背景信號弱到我們探測不到。

這就好比你在一個空蕩蕩的禮堂里，能聽清每一個人的低語（單個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“人擠人”的程度，就和宇宙體積，進而和哈勃常數掛上了鉤。

研究團隊將這個新方法應用到了LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）合作組的現有數據中。他們發現，即便目前還沒有真正探測到引力波背景，但僅僅是“沒有探測到”這個事實本身，就已經能提供信息——它能排除掉宇宙膨脹得太慢的那些可能性。當他們把這種新方法與已有的單個黑洞合并數據結合時，對哈勃常數的測量精度得到了提升，并且將測量值推向了一個更靠近“哈勃張力”爭議中心的區域。

這項新成果，也讓我們再次審視中國在這個前沿領域的位置。我們不僅在場，而且在多條戰線上積極布局。

首先，在地面探測器方面，中國是LVK國際合作的重要參與者，來自中國的科研人員在數據分析、天體物理研究上貢獻頗多。例如，東北大學張鑫教授團隊在2025年就發表了一項成果，他們創新性地利用引力波“暗汽笛”校準了強引力透鏡時間延遲系統，以不依賴宇宙學模型的方式測量了哈勃常數。這本身就是對“暗汽笛”應用的一次重要拓展。

在下一代探測技術上，中國正在快步追趕。中山大學主導的“天琴計劃”和中科院主導的“太極計劃”，都旨在將引力波探測器送上天?？臻g探測的優勢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，這些信號往往對應著更大質量的黑洞合并。天琴計劃的研究人員早已論證過，未來利用天琴和歐洲的LISA以及地面的愛因斯坦望遠鏡組成多波段觀測網絡，對哈勃常數的測量精度有望達到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，一篇發表在《天體物理學期刊》上的研究顯示，中國科學家（諸佳明、張冰等）利用117個快速射電暴（FRBs）的數據，也對哈勃常數給出了獨立的測量約束?？焖偕潆姳┦怯钪嬷辛硪环N神秘的瞬變信號，它同樣可以作為探針來研究宇宙。

可以看到，在這場圍繞“哈勃常數”的全球科學競賽中，中國科學家沒有缺席。從數據分析、方法創新到未來探測器的布局，我們正以不同的方式切入，試圖為“哈勃張力”這個難題提供來自中國的答案。

宇宙還在用它獨有的方式“歌唱”，以前我們只聽得見那些最高亢的獨唱，如今，科學家們開始學會欣賞那無處不在的“和聲”。無論是美國的“隨機汽笛”，還是中國的天琴計劃、快速射電暴研究，都標志著宇宙學研究正從依賴少數明亮“燈塔”，轉向利用更普遍、更微弱的“背景噪音”。這場由“聽得見”到“聽不見”的跨越，或許正是我們無限接近宇宙真相的必經之路。