近日，东北大学张鑫教授团队在国际著名期刊《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版（SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, SCPMA）发表题为“Gravitational wave standard sirens: A brief review of cosmological parameter estimation”的特邀综述论文，系统梳理了引力波“标准汽笛”在宇宙学参数估计中的研究进展、核心方法与未来展望，为解决“哈勃常数测量不一致性”这一宇宙学重大谜题提供了关键思路，彰显了我国在该领域的学术影响力。
宇宙膨胀速度的精准测量是现代宇宙学的核心课题之一。当前，基于宇宙微波背景辐射的早期宇宙观测与基于近邻宇宙天体的距离阶梯测量，给出的哈勃常数结果存在超过10%的差异，且达到5σ以上的统计显著性，这一“哈勃常数测量不一致性”成为困扰全球天文学家的重大难题，预示着标准宇宙学模型可能需要修正。
引力波“标准汽笛”作为一种全新的宇宙测量工具，为破解这一争议提供了独立且精准的解决方案。该方法利用中子星、黑洞等致密天体并合产生的引力波信号，通过分析波形中的“啁啾质量”与信号强度，可直接测量天体到地球的光度距离，无需依赖任何中间校准环节，从根源上避免了传统测量方法的累积误差。
如图1所示，目前引力波“标准汽笛”给出的哈勃常数后验分布范围较宽，但联合分析后误差显著收紧，展现出独立检验宇宙膨胀速率的潜力。
图1：不同类型引力波标准汽笛对哈勃常数的限制结果对比。不同颜色的曲线表示利用不同样本或分析方法得到的哈勃常数后验分布，包括亮汽笛、暗汽笛以及基于质量分布信息的谱汽笛等；黑色曲线为多种汽笛联合分析的结果，可以看到联合后约束明显收紧。图中也显示了来自宇宙微波背景辐射实验（Planck）和近邻宇宙距离阶梯（SH0ES）的代表性测量值，作为对比参考。
根据是否伴随电磁信号，“标准汽笛”分为“亮汽笛”和“暗汽笛”，前者通过伽马射线暴、光学暂现源等电磁信号精确定位宿主星系，后者则借助星系目录统计推断红移，二者互补形成了覆盖广泛宇宙尺度的测量体系。论文系统阐述了“标准汽笛”破解参数简并的核心技术路径，包括利用轨道偏心率、时空记忆效应、引力波高阶模式及天体进动效应等，有效解决了光度距离与轨道倾角等参数的“纠缠”问题，显著提升了测量精度。团队汇总了当前的最新观测结果，综合当前的观测，亮汽笛和暗汽笛的联合已经可以将哈勃常数测量到10%水平的精度，展现出了强大的独立仲裁能力。
图2：不同频段的引力波信号、对应的天体源以及探测手段示意图。不同质量和尺度的引力波源在不同的频率范围内辐射引力波：纳赫兹频段主要由超大质量黑洞并合等过程产生，可通过脉冲星计时阵列进行探测；毫赫兹频段对应空间引力波探测器（如 LISA、太极、天琴）的观测目标；而赫兹至千赫兹频段则由地面激光干涉仪（如 LIGO、Virgo、KAGRA）覆盖。多频段观测为研究宇宙结构形成和宇宙学参数提供了互补的信息。
针对未来发展，论文指出，地面第三代引力波探测器（如宇宙探索者CE、爱因斯坦望远镜ET）、我国“太极”“天琴”空间引力波探测计划以及脉冲星计时阵列（CPTA）将构建多频段协同观测网络，预计10年内可将哈勃常数测量精度提升至亚百分级，彻底解决“哈勃常数测量不一致性”争议。如图2所示，不同频段的引力波信号对应不同类型的天体源和探测手段，多频段协同观测将为宇宙学参数测量提供更加全面而互补的信息。此外，“标准汽笛”与快速射电暴、21厘米强度映射、强引力透镜等新兴探测手段的联合，还将为暗能量本质探测提供突破性支撑，有望将暗能量状态方程测量精度提升至1%级，开启“暗能量精确宇宙学”时代。
论文还强调了机器学习技术在应对探测器校准误差、弱引力透镜干扰等挑战中的关键作用，其在信号快速识别、参数精准估计及海量数据处理中的应用，将为“标准汽笛”实现亚百分级精度提供重要保障。
该综述论文由东北大学联合中国科学院、澳大利亚西澳大学、东京大学等国内外多家单位共同完成，东北大学为第一单位和通讯单位。研究工作得到了国家重点研发计划SKA专项、国家自然科学基金、中国载人航天工程等项目的支持。论文的发表不仅系统总结了引力波宇宙学领域的前沿进展，更凸显了我国在引力波探测与宇宙学研究中的重要地位，为我国“太极”“天琴”等重大科技计划的实施提供了重要的学术支撑，将推动我国在宇宙学与暗能量研究领域持续产出原创性成果。
近年来，东北大学在引力波宇宙学领域持续发力，依托辽宁省宇宙学与天体物理重点实验室、工业智能与系统优化国家级前沿科学中心等平台，组建了一支跨学科研究团队，在引力波参数估计、宇宙学参数约束、机器学习应用等方向开展了一系列创新性研究，相关成果已在多个国际顶级期刊发表，为学校在天文学与宇宙学领域的学科建设奠定了坚实基础。
