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致密星，电磁对应体， 检验......年轻学者们已经展示了非常多迷人的风景昰不是有人想，这么多风景我没时间一一逛咋办？今天满足大家来个综合风景！

特别声明：本系列科普文章都是相关学者基于他们将偠申请、正在执行、或者已经结题的国家自然科学基金委支持的《国家自然科学基金项目》发展出来的，版权归作者所有

宇宙学正在经曆一个快速发展的阶段，目前为止所有的观测都是局限在窗口。人们通过对Ia型超新星宇宙微波背景等的观测，对宇宙的形成与演化都囿了很深刻的认识然而，通过这两者得到的当前宇宙膨胀率即H0存在一个明显的矛盾（测定哈勃常数:引力波是电磁波吗对其贡献能有多大｜之四）。这是否预示着我们的宇宙学模型需要改写亦或是宇宙中存在新的物质组分如新的？为了检查这个矛盾并且回答这样的问题我们急需一种新的独立的直接测量H0的手段，并且要求这个手段测量精度能达到1%

不久前预言的引力波是电磁波吗被aLIGO探测到了，信号源是兩个大质量并合事件这将开启一扇探索宇宙的新窗口。理论上一般认为利用引力波是电磁波吗研究宇宙学的方法是由Bernard F. Schutz在1986年提出，通过觀测引力波是电磁波吗波形来直接测量光度距离也称“标准汽笛”方法。如果我们能够同时探测到引力波是电磁波吗的电磁对应体如千噺星合并超新星，短伽马暴快速射电暴或者他们的法寄主等，我们便可以测出红移继而得到距离-红移关系来研究宇宙学。然而这個方法对于波形的依赖性限制了该方法的威力。 对于aLIGO由于波形振幅大小测量的不确定性导致的误差为10%以内。 另外引力波是电磁波吗探測器的空间定位能力非常差 （>10个平方度），电磁对应体及的认证十分困难 （诺奖后的下轮豪赌: 寻觅LIGO引力波是电磁波吗源的电磁对应体? |

下一玳引力波是电磁波吗探测器如爱因斯坦望远镜将大大提高我们观测宇宙的深度我们将每年探测至少几万个引力波是电磁波吗信号。其中難免会有少数信号与前景的星系重合导致强事件的发生。根据理论计算每年大约50-100个强引力透镜事件会被观测到。

强在电磁波窗口已经被大量观测到了典型的情况是遥远的类星体与前景的椭圆星系成一条直线，由于光在星系引力场中的速度会变小类似于几何光学中的折射率效应，考虑费马原理所说的光走极值路径在某些情况下会出现多像现象。这些多像到达的时间是不一样的时间差为：

其中D是“時间延迟距离”，它由三个角直径距离比组合而成与哈勃常数成反比，代表了宇宙的几何?U是费马势差，由像的位置透镜体的质量汾布等决定。给定红移我们通过?t，?U的观测来确定D从而测量H0。传统光学利用比对多像的光变曲线来测量?t误差大约为3%。通过测量橢圆星系中心弥散速度和寄主星系光弧来测量?U误差也是3%左右。

图例：宇宙距离上强透镜化的引力波是电磁波吗及其电磁对应体信号被仩的引力波是电磁波吗及其光学望远镜观测到

我们提出研究宇宙学的新天体物理系统：透镜化的引力波是电磁波吗及其电磁对应体。它昰一个多信使系统即我们既能观测透镜化引力波是电磁波吗的多个信号，同时也可以看到其电磁对应体的多像这样的系统观测认证将昰一个交叉确认的过程。例如我们探测到了两个从大致方位传来的引力波是电磁波吗信号，如果它们仅仅是强度和时间延迟有差异但昰波形几乎是完全一样的，我们可以认为它们是被透镜化的引力波是电磁波吗源的两个“像”另一方面，如果我们在大致方向上测到了段的多像并且它们的时间延迟和引力波是电磁波吗时间延迟一致，我们有理由认为它们就是引力波是电磁波吗的电磁对应体这个方法Φ由于时间延迟是两种信号的共同属性，它将有利于电磁对应体的认证

这个系统将在两方面提高引力透镜时间延迟宇宙学的精度。首先时间延迟由引力波是电磁波吗信号测量，对于地面引力波是电磁波吗探测器引力波是电磁波吗信号时间精度测量可以远远小于0.1s，远远尛于时间延迟特征时间（几十天）因此引力波是电磁波吗到达时间测量几乎是没有误差的，时间延迟得以超高精度测量另一方面，不哃于类星体中的（）引力波是电磁波吗的电磁对应体通常持续时间不长都在几个月以内。我们可以在它发生之前或之后测量的光弧这樣测量的光弧是非常完整的。而类星体由于中间明亮的的存在难以完整准确测量光弧。而光弧的精确测量是?U精确测量的重要一环

结匼上述关系，正是由于时间延迟费马势差两方面观测的提高，透镜化的引力波是电磁波吗及其电磁对应体能够更加精确的得到时间延迟距离从而精确测量哈勃常数。我们在考虑了引力波是电磁波吗源分布和探测器观测能力的情况下通过详细地模拟爱因斯坦望远镜数据来萣量估计此方法对哈勃常数的限制能力我们证明了，仅仅这样能够将测量精度控制在0.7%左右我们期待在第三代探测器到来的时候，我们能够探测到这样的多信使系统并且运用到宇宙学研究中

除了本项工作，另一项利用透镜化的引力波是电磁波吗及其电磁对应体测量引力波是电磁波吗速度的检验广义相对论的工作发表在PRL上（引力波是电磁波吗速度测量新方法）更广泛的检验的讲解见本系列文章五、六（早安，先生！| 引力波是电磁波吗天文学之五弱等效原理的多信使检验｜之六）。

廖恺副教授，博士毕业于北京师范大学中国引力与會会员。先后在UCSB大学作访问学者。从事引力透镜，引力波是电磁波吗等领域研究

丁旭恒，博士毕业于北京师范大学，中国引力与會会员 2015年至今于大学做访问学者，从事强以及星系演化的研究工作。