几十年来，天文学界已确认宇宙正在膨胀。衡量当前宇宙膨胀速率的关键参数是哈勃常数。按理说，基于相同物理框架、且各自内部自洽的不同测量手段应给出一致结果，但来自早期宇宙数据集与晚期宇宙数据集的推断值存在差异，由此形成“哈勃张力”，被视为宇宙学的重要未解问题之一。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格兰杰工程学院与芝加哥大学的天体物理学家、宇宙学家及物理学家团队近日提出一种利用引力波计算哈勃常数的新方法，旨在提升既有引力波测量路径的精度。研究团队表示，随着未来引力波观测能力增强，该方法有望为哈勃常数提供更精确的独立测量，从而为检验哈勃张力提供新的证据。

伊利诺伊大学物理学教授尼古拉斯·尤内斯（Nicolás Yunes）表示，获得哈勃常数的独立测量对处理当前的哈勃张力至关重要，并称该方法为利用引力波提高哈勃常数推断准确性提供了新的途径。芝加哥大学物理学及天文学与天体物理学教授丹尼尔·霍尔茨（Daniel Holz）则指出，研究展示了如何利用来自遥远星系黑洞并合所形成的背景引力波信号，来约束宇宙学参数。

该研究由伊利诺伊大学物理学研究生、国家科学基金会研究生奖学金获得者布莱斯·考辛斯（Bryce Cousins）担任第一作者，合作者还包括克里斯汀·舒马赫（Kristen Schumacher）、钟嘉伟，以及芝加哥大学的科尔姆·塔尔博特（Colm Talbot）和托马斯·卡利斯特（Thomas Callister）。论文已被《物理评论快报》接收，将刊登于3月11日刊期，全文已在arXiv预印本平台公开。

既有哈勃常数测量路径

自20世纪初以来，测量宇宙膨胀速率的主要方法大体分为两类：基于电磁观测的测量，以及基于引力波数据的测量。

在电磁观测中，标准烛光方法常以超新星等天体事件为参照。研究人员利用其已知特性估算距离，并结合其远离速度，从而推算宇宙膨胀速率。

近年来，引力波探测为哈勃常数测量提供了新路径。引力波由黑洞等致密天体的剧烈并合产生，以光速传播，可被地面探测器捕捉。当前全球引力波探测网络由LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）合作组织运营，成员超过2000人。

在引力波框架下，“标准警报器”方法可较直接地从黑洞并合信号中得到距离信息，但并合源因宇宙膨胀而远离地球的速度难以直接测量。为获得速度信息，天文学家通常需要识别并合事件的电磁对应体或确定其宿主星系。

“随机警报器”方法：利用引力波背景约束哈勃常数

在这项研究中，团队提出利用LVK网络目前尚不足以直接探测到的“引力波背景”来推断哈勃常数。研究人员指出，基于已观测到的单个黑洞并合事件，可以估计这类事件在宇宙中的发生率；由此推断，仍存在大量未被单独分辨的并合事件，它们叠加形成引力波背景。

考辛斯解释称，若哈勃常数取较低数值，对应的空间总体积更小，意味着并合事件的密度更高，从而会增强引力波背景信号强度。因此，在当前观测未探测到引力波背景的情况下，可以据此排除部分较低的哈勃常数取值。

研究团队将该方法命名为“随机警报器”（stochastic siren）方法，以强调构成引力波背景的并合事件在时间与空间上具有随机性。团队将该方法应用于现有LVK数据进行原理验证，称“未探测到引力波背景”可用于排除宇宙膨胀速率较慢的部分情形；进一步地，将随机警报器方法与单个黑洞并合事件的哈勃常数测量结合后，可得到更精确的膨胀速率推断。

研究人员表示，随着探测器灵敏度提升，该方法对哈勃常数的约束能力将进一步增强。团队预计，引力波背景有望在未来六年内被探测到；在此之前，即便仍未实现直接探测，随机警报器方法也可随着背景上限的改进，逐步对更高的哈勃常数取值施加限制，为检验哈勃张力提供另一条观测路径。