强引力透镜引力波为测量宇宙偶极子提供新方法
宇宙在各个方向上看起来几乎完全相同但仅仅是”几乎”。一种被称为”宇宙偶极子”的微妙不对称性揭示出，地球正以约每秒370公里的速度相对于宇宙微波背景（CMB）运动。然而多年来，来自CMB和来自遥远射电星系计数的偶极子测量结果始终存在分歧，这引发了人们的疑问：我们标准的宇宙学图景是否遗漏了某些根本性的东西。
2026年7月，陈安森（Anson Chen）和张军（Jun Zhang）在arXiv预印本服务器上发表了一项新研究，提出了一种完全独立的解决方案：利用与星系巡天相关联的强引力透镜引力波（GW）来测量宇宙偶极子。该研究预测，下一代探测器可在十年内以足够精度完成这一测量，从而区分相互竞争的理论解释。
宇宙偶极子之谜
CMB偶极子是微波天穹中最大的各向异性特征，被直接解释为太阳系在宇宙中运动所产生的多普勒频移。标准宇宙学模型预言，物质分布（例如射电星系和类星体的数量计数）中的偶极子，在考虑了相同的运动学效应后，其方向和大小均应与CMB偶极子一致。
但事实并非如此。来自射电星系星表的测量结果始终显示出一个比CMB所暗示值大两到五倍的偶极子。塞克雷斯特（Secrest）、冯·豪塞格（von Hausegger）、拉米兹（Rameez）、莫哈耶（Mohayaee）和萨卡尔（Sarkar）于2025年在《现代物理评论》（Reviews of Modern Physics）上发表的一篇综述论文指出，这一差异的统计显著性超过5西格玛，称其为对现代宇宙学根基的严峻挑战。
这一分歧可能意味着宇宙在大尺度上并非真正各向同性，从而违背了支撑标准ΛCDM模型的宇宙学原理。也可能暗示射电数据中存在微妙的系统误差。宇宙学家需要的是一个完全独立且具有不同系统误差来源的探测方法。
引力波登场
引力波天文学已彻底改变了对黑洞和中子星的研究。如今，研究人员开始追问它能否为宇宙学提供帮助。马斯特罗乔瓦尼（Mastrogiovanni）等人在2022年的前期工作表明，未来爱因斯坦望远镜（ET）和宇宙探索者（CE）可以测量双星并合产生的一般引力波事件的数量计数偶极子，但这需要数百万次事件，可能耗时十年甚至更久。
任职于中国科学院大学的陈安森和张军则另辟蹊径。他们不依赖于计算普通引力波事件，而是聚焦于其中更罕见但信息更丰富的子集：那些被前景星系强引力透镜效应的引力波。
当一个巨大星系位于地球与并合黑洞双星之间时，其引力会弯曲时空，将引力波信号分裂成多个副本，每个副本到达地球的时间略有不同。这些多重成像事件富含大量信息。仅从波形本身，就可以推断出透镜体和源体的光度距离。通过将这些系统与维拉·鲁宾天文台时空遗迹巡天（LSST）等光学星系巡天中识别出的宿主星系相匹配，透镜体和源体的红移便都能确定。
这种距离与红移的组合对宇宙偶极子极为敏感。偶极子会体现在推断出的光度距离、透镜模型中的角直径距离以及事件在天空位置上的数量计数之中。通过同时对这些效应进行建模，一个透镜化引力波事件的统计样本可以在约束哈勃常数等标准宇宙学参数的同时，限制偶极子的大小和方向。
下一代探测器的前景
该研究模拟了计划中的第三代引力波天文台欧洲的爱因斯坦望远镜和美国的宇宙探索者作为一个全球网络联合运行时的实际观测情况。研究人员采用奇异等温球（SIS）透镜模型，并考虑了约70%的强透镜事件为双重成像的情况，进行了数千次模拟数据实现。
结果是令人鼓舞的。在最优情景下，经过十年的ET-CE观测，偶极子大小g可被约束至g = (2.45 +1.53 -1.28) × 10⁻³。这一精度足以探测到与CMB偶极子或更大的射电星系计数偶极子相一致的信号。
作者发现，将双重成像事件的约束与三重和四重成像事件（后者能实现更精确的透镜模型重构）的约束相结合，可显著提升测量精度。即使在不太乐观的情景下，该方法也能提供有意义的独立交叉检验。
“尽管具有挑战性，但强引力透镜引力波为测量宇宙偶极子提供了一种新颖途径，并能在系统误差来源与电磁探针不同的条件下提供独立的自洽性检验，”作者写道。
宇宙各向异性的新窗口
引力波的强引力透镜效应尚未被确凿观测到，但理论预测，ET和CE每年应能探测到数十次此类事件。识别它们的方法也在稳步改进。刘和廖在2025年的一项研究表明，融入欧几里得（Euclid）星系透镜星表的位置先验信息，可将透镜识别置信度提高一个数量级。
陈安森和张军的研究为对透镜化引力波的关注增添了新的理由：它们不仅是测量哈勃常数或检验广义相对论的工具，还为宇宙学中最持久的谜题之一提供了引力视角的解答。
如果通过透镜化引力波测得的偶极子与CMB数值一致，将有力佐证射电星系偶极子因未知系统效应而被放大的观点。如果测量结果与更大的射电偶极子吻合，则意味着CMB解释本身需要修正，或许指向一个真正各向异性的宇宙，或CMB偶极子存在更奇异的起源。
无论结果如何，答案可能并非来自更强大的望远镜去观测更多的星系，而是来自并合黑洞的微弱回响这些回响被引力弯曲、分裂成多重图像，携带着关于万物在宇宙中运动的讯息。
参考文献： Anson Chen and Jun Zhang, “Prospect of Measuring the Cosmic Dipole by Associating Strongly Lensed Gravitational Waves with Galaxy Surveys,” arXiv:2605.19476 (2026).
相关文献： N. Secrest et al., “Colloquium: The Cosmic Dipole Anomaly,” Rev. Mod. Phys. 97, 041001 (2025), arXiv:2505.23526.
报道说明： 本文基于预印本arXiv:2605.19476撰写，并辅以新闻报道及相关文献的补充检索。截至撰稿时，尚无媒体报道该特定论文。
婷 翻译