近日，长江大学物电学院刘统华副教授与北京师范大学曹硕教授团队、湖南师范大学王接词教授、波兰国家核物理研究中心Marek Biesiada教授合作，在引力波宇宙学方面的研究取得了新进展。相关研究成果以题为“Model-independent way to determine the Hubble constant and the curvature from phase shift of gravitational waves with DECIGO”的论文发表在天体物理学顶级期刊《Astrophysical Journal Letters》上，长江大学为第一单位，物理学院刘统华副教授为第一作者，曹硕教授、王接词教授和Marek Biesiada教授为共同通讯作者。
宇宙膨胀的速度，即哈勃常数，是了解宇宙演化和最终命运的基本参数之一。然而，用各种独立的距离指标测得的哈勃常数值与根据宇宙大爆炸余辉预测的值之间存在着持续的差异，这种差异被称为"哈勃张力"（Hubble Tension）。目前，两个诺奖团队，普朗克合作团队基于宇宙微波背景辐射的观测，在假设标准宇宙学模型下测得的温度谱、透镜功率谱以及偏振谱对哈勃常数的最佳拟合值为67.4 km/s/Mpc和0.5 km/s/Mpc的精度。而另一个团队，基于超新星的观测，利用局域距离阶梯的方法给出的哈勃常数的测量值为74.03 km/s/Mpc和1.4 km/s/Mpc的精度，这两者之间在统计学上产生了4.4 倍标准差。此外，宇宙的空间结构和几何形状的测量也面临着同样的问题。
2015年9月14日，LIGO项目终于探测到来自于13亿年前一个双黑洞系统合并的引力波信号。随后，科学界又三次探测到了引力波，其中的双中子星并合GW170817事件获得2017年物理学诺贝尔奖。引力波的发现意味着我们开启了一个多信使天文学时代。Deci-hertz干涉仪引力波天文台(DECIGO)是日本未来的空间任务，其旨在探测原始引力波，这种引力波可能在宇宙诞生后的暴胀时期产生。利用未来空间引力波探测器DECIGO的可能性，结合射电类星体作为标准尺，刘统华副教授提出了一种独立于宇宙学模型的方法来同时确定哈勃常数和曲率。与电磁波段的红移漂移类似，宇宙的加速膨胀会导致DECIGO探测到的引力波形的特征相位产生额外相位（加速膨胀参数）。基于这个额外相位可以用来恢复由数据支持的宇宙距离-红移关系，而不依赖于任何特定的宇宙模型。基于DECIGO的探测性能，该工作模拟了一组未来DECIGO可探测的加速膨胀参数，并使用人工智能神经网络的方法对该数据进行了重构。结果表明，在乐观情景下，该数据组合对哈勃常数的限制精度将提高到1%，与普朗克的测量精度相当，同时，对宇宙曲率的限制精度为0.05。该工作的结果表明，这种组合分析在未来可能有助于解决当前关于哈勃张力和宇宙曲率张力的问题。
该工作得到了国家自然科学基金重点项目、中国科学院战略重点研究项目、湖北省科技厅外国专家等项目的支持。
论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad3553
