精確測量哈勃常數（描述宇宙膨脹速度的值）幾十年來一直困擾著科學家。確定這個數值將平息天文學家之間長期存在的爭論，並使我們離理解宇宙的演化和命運更近一步。現在，研究人員已經利用最近探測到的引力波，提出了確定該常數的全新方法的概念驗證。
到目前為止，天文學家已經採取兩種方法來計算常數值。一種方法使用已知亮度的天體，稱為標準燭光，例如造父變星。造父變星的光會以規則的間隔波動，並且間隔與其發出的光度有關。天文學家透過從波動率推匯出恆星的實際亮度，並將其與地球觀測者看到的亮度進行比較，來確定其距離。然後，科學家們測量相同天體的紅移——也就是說，它們的光向電磁光譜的紅色端移動了多少。紅移發生在光源遠離觀測者時；從它發出的光波會被拉伸。這類似於汽車喇叭的聲音在車輛駛離時音調下降的方式。透過測量遙遠恆星的紅移，天文學家可以計算出它遠離地球的速度。當他們將這些資訊與其距離結合起來時，他們就獲得了哈勃常數的值。
第二種計算空間膨脹率的技術依賴於宇宙微波背景（CMB），這是大爆炸遺留下來的幽靈般的輻射，瀰漫在深空中。來自普朗克空間望遠鏡的CMB溫度變化的精確測量，當插入到大爆炸宇宙學的標準模型中時，允許天文學家推匯出常數。
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問題是，從這些方法獲得的值並不一致——宇宙學家稱之為“張力”的差異。來自紅移的計算將該數值定在約 73（單位為公里/秒/百萬秒差距）；CMB 估計值更接近 68。大多數研究人員最初認為這種分歧可能是由於測量誤差（在天體物理學家中稱為“系統誤差”）造成的。但是，儘管經過多年的調查，科學家們仍然找不到足以解釋這種差距的誤差來源。
一個更令人興奮的可能性是，這種張力反映了普朗克所觀察到的距離，即遙遠的早期宇宙，與標準燭光方法，即附近的近期宇宙的哈勃常數之間的真實差異。當然，科學家們已經知道宇宙的膨脹正在加速——儘管他們不確切知道原因，並將這個神秘的原因命名為“暗能量”。
但是，即使考慮到已知的加速，這種張力也表明暗能量可能正在發生一些奇怪的事情，導致哈勃常數發生如此大的偏差。它表明，宇宙大爆炸之後的宇宙時期（CMB 會反映出來）的膨脹率與宇宙學家目前認為的截然不同。如果暗能量異常不是罪魁禍首，那麼可能是某些未知的粒子，例如尚未發現的中微子風味（幾乎沒有質量的粒子，瀰漫在宇宙中），正在影響計算。“這種張力可以隱藏我們對宇宙描述的解決方案——它的演化，其中存在的能量來源，” 法國 CEA Saclay 的天體物理學家和研究工程師 Valeria Pettorino 說，她沒有參與這項研究。“實際上，這決定了我們宇宙的過去、現在和未來，無論它是否會永遠膨脹，是否會重新坍縮和反彈。”
時空中的波
現在，研究人員利用來自兩個黑洞合併的引力波訊號和來自有史以來最雄心勃勃的巡天專案之一的紅移資料，開發了一種全新的計算哈勃常數的方法。他們在提交給《天體物理學雜誌通訊》的一項研究中描述了這種方法，並於 1 月 6 日釋出在預印本網站 arXiv 上。在其中，他們報告該常數值為 75.2，儘管誤差幅度很大（+39.5, –32.4，這意味著實際數字可能高達 114.7 或低至 42.8）。這種巨大的不確定性反映了該計算來自單次測量的事實，因此目前尚無助於消除原始兩種計算方法之間的張力。但作為概念驗證，這項技術是開創性的。只有另一項測量（來自 2017 年 10 月）曾嘗試使用引力波計算哈勃常數。科學家們希望未來的引力波探測將幫助他們提高計算的精度。
引力波是時空結構中的漣漪。愛因斯坦的廣義相對論在 1915 年預測了它們的存在，天文學家一直在尋找探測它們的方法。毫不奇怪，大質量天體的碰撞會產生顯著的引力波飛濺。1986 年，物理學家伯納德·舒茨首次提出，這些所謂的雙星系統可以用來確定哈勃常數。他認為天文臺很可能在不久的將來探測到它們；事實上，天文臺花了將近 30 年才看到這些訊號。
路易斯安那州和華盛頓州的雷射干涉引力波天文臺 (LIGO) 於 2015 年 9 月首次探測到引力波，此後與歐洲的對應機構 Virgo 一起，又觀測到不到十幾個事件。這些實驗尋找由經過的引力波引起的時空中微小的變化。
標準警笛
來自兩個黑洞合併的引力波爆發是計算哈勃常數的新方法的一部分。與標準燭光非常相似，雙黑洞系統會振盪。當它們螺旋式地相互靠近時，它們噴出的引力波的頻率會以與系統大小相關的速率變化。由此，天文學家推匯出波的內在振幅。透過將其與它們的視振幅進行比較（類似於將造父變星的實際亮度與其視亮度進行比較），他們計算出系統有多遠。天文學家稱之為“標準警笛”。測得的這次特定碰撞的距離約為 540 百萬秒差距，或距地球約 18 億光年。
相關的紅移，例如警笛主星系的紅移，提供了新方法的第二部分。研究人員使用了暗能量巡天的紅移資料，該巡天剛剛完成對南半球天空一部分的比以往任何巡天更廣泛和更深入的測繪。紅移資料與距離測量相結合，為研究人員提供了新的常數值。
費米實驗室的研究助理、該研究的合著者安東內拉·帕爾梅塞說，該方法之所以有希望，部分原因是黑洞合併相對豐富。她說，雖然這仍然是一個概念驗證，但隨著 LIGO/VIRGO 提供的引力事件越來越多，統計資料將會改善。牛津大學天文學家 Elisa Chisari（未參與該研究）對此表示贊同。“他們獲得的關於哈勃率的約束水平目前與其他測量相比沒有競爭力，”她說。“但是，隨著 LIGO 在未來幾年建立其引力波事件目錄，透過結合多個事件，這確實將成為一種有競爭力的方法。”