2017年8月17日，当宇宙学家丹尼尔·霍尔兹从香港起飞时，他脑海里充斥着他上周讲授的各种想法，包括他希望空间中的振动有一天能解决关于宇宙大小和年龄的持续争论。但他知道这需要时间。时间让两个最致密的天体碰撞在一起，并足够强烈地搅动宇宙，让我们能在地球上感受到隆隆声；时间来定位扰动；时间在我们用来观测碰撞的望远镜的光芒消退成黑暗之前，将它们对准碰撞点。
他前一天在最后一场讲座中告诉听众，乐观地估计，对这些中子星碰撞的引力波和光线进行成对观测还需要大约十年时间。激光干涉引力波天文台（LIGO）合作组织已经探测到了黑洞合并，而位于意大利的Virgo干涉仪在两周前刚刚投入使用，所以这项事业正在顺利发展。但当在芝加哥大学工作的霍尔兹回到伊利诺伊州时，他得知未来已经提前到来。在他飞行途中，两颗巨大天体碰撞产生的引力冲击波已经穿过了他的飞机——以及整个地球，而世界各地的天文台正在争相进行后续的光学观测。
“我们着陆了，我的手机爆炸了。我立刻连上网，就坐在笔记本电脑前开始工作，”霍尔兹回忆道。“那是我一生中最神奇的经历。” 着陆12小时后，他得到了一个估算，这是宇宙学中最具争议的数字：宇宙膨胀的速度。只有一个数据点，他无法得到他梦寐以求了十三年的决定性测量结果，但他终于知道这个项目是可行的。现在，在进行了一些额外的计算后，他带着一项新预测回来了：根据他在《自然》杂志上发表的最新文章，LIGO合作组织可能在五年内解决这场持续数十年的争论。
这场讨论围绕着一个问题展开：宇宙膨胀的速度有多快？找到答案，也就是哈勃常数，理论上很简单。你从一个正在远离的物体开始，通常是一个正在经历特定类型死亡的恒星。这些“1a型超新星”总是以相同的方式爆炸，因此研究人员可以根据它们的亮度来估算它们的距离。要计算哈勃常数，你还需要知道爆炸远离你的速度，这可以通过观察它的颜色来获得，颜色是它光线拉伸程度的衡量标准。研究人员也可以利用大爆炸后不久留下的古老光线信息，即宇宙微波背景（CMB）辐射，做类似的事情。一旦你知道了膨胀的速度，你就可以倒推来确定宇宙的确切大小和年龄，或者向前预测它的未来轨迹。
问题在于，目前的两种计算方法给出了不同的结果。
最新的超新星方法（截至1月为每百万秒差距73.5公里）和CMB方法（截至6月为67.4）的估计值相差约9%。起初，这种差异并未引起该领域的多少警觉，因为在实践中，这些测量非常困难。一颗遥远的大爆炸看起来就像一颗近距离的弱爆炸，因此确定超新星距离依赖于“宇宙距离阶梯”，这是一种复杂的技术，涉及到将不同距离的三种天体联系起来，或者说“台阶”。天文学家首先用基础几何学研究我们银河系附近的闪烁恒星，然后将这些知识转移到遥远星系中行为相似的恒星上，以了解那里的超新星。“他们以多种方式极其谨慎，”霍尔兹说。“但里面有很多‘杂质’。”
研究CMB需要较少的设备，但更多的假设。背景辐射记录了宇宙婴儿时期的膨胀情况，要推断到目前，宇宙学家必须依赖他们认为自己了解的一切，关于引力、物质、暗能量和暗物质在过去的130亿年里所做的一切。任何一点错误都可能导致两种方法出错，但即使每个阵营的天体物理学家都反复检查了他们的数学计算，这两种估计仍然无法收敛。现在，宇宙学界经历了一系列令人难以置信的统计学上的坏运气，其概率接近1/1000。
“现在已经到了我们觉得‘哇，这可能不仅仅是巧合’的地步了，”在约翰霍普金斯大学工作的宇宙学家、从事超新星方法研究的亚当·里斯说。“有些有趣的事情正在发生，有些事情我们不了解宇宙。”
霍尔兹将他的职业生涯押在了引力波可以作为仲裁者的想法上。这个想法源于美国物理学家伯纳德·舒茨在1986年发表的一篇推测性论文，即另一种类型的死亡恒星可以取代超新星，成为更干净的宇宙距离标尺。巨大的恒星在爆炸后，如果不足以成为黑洞，就会坍缩成中子星——一种粒子密度极高，甚至原子都会被压碎的集合体。当两具这样的恒星残骸碰撞在一起时，撞击会引发一种被称为引力波的涟漪。
因为这些波是空间本身的波动，所以没有任何东西会阻碍它们。不受尘埃和气体云的干扰，它们从碰撞点扩散开来，直到到达地球，科学界在那里操作着三个L形的探测器（还有更多正在建设中）来捕捉它们。当波穿过地球时，它会对其进行轻微挤压。每个L形探测器的其中一个臂会比另一个短约一个质子，该装置会通知世界各地的物理学家和天文学家。利用广义相对论的精确方程，研究人员可以准确地测量碰撞的距离，计算量少，假设也少——无需爬距离阶梯或计算粒子。
霍尔兹在2005年完善了该理论，他认为同时探测到中子星碰撞的光线和引力波，将提供速度信息，以补充引力波的距离读数，并加入了LIGO团队来领导这项努力。他回忆说，他的许多同事告诉他，这永远不可能实现，因为天文学数据预测中子星合并应该非常罕见，但就在他飞回家的时候，8月17日，所有部件都到位了。
那次事件的哈勃常数非常粗略地测得为70，恰好介于传统的两个值之间，但其不确定性甚至吞噬了最极端的超新星和CMB估计值。要解决这个冲突，需要将误差范围缩小到2%或3%，霍尔兹在他的最新论文中计算，这需要30到50次去年观察到的那种碰撞。根据LIGO日益增长的灵敏度和假定的中子星合并率，他现在预计将在五年内获得足够的数据来区分两个哈勃常数竞争者。里斯虽然未参与这项工作，但他同意引力波提供了一个有前景且令人兴奋的途径，但他指出，很难猜测我们能找到多少次合并。“也许会更快地积累，”里斯说，“但如果积累速度慢10倍，我可不想等50年。”
霍尔兹承认，很难猜测一个事件发生一次后，类似事件会发生多少次，但他表示有理由感到乐观——如果他的数学计算是正确的。他的模型是基于常用的统计工具来计算罕见事件的，预测到2026年将探测到30到400次合并。他预计，任何一种结果都会使哈勃常数的不确定性降低到3%以下，所以没有人会等待50年。
如果引力波确实能让我们精确测量宇宙膨胀的速度，将有三种可能的结果。LIGO数据可能支持CMB方法，这意味着宇宙距离阶梯未能准确地测量到超新星。里斯说，只有“一连串的错误”才能解释为什么半打独立的校准方法都如此糟糕，他把这种情况比作被闪电击中多次。
霍尔兹和里斯都表示，如果中子星支持超新星计算，那将更有趣，这将指向我们对宇宙从诞生到现在演变过程的假设错误——这是备受期待的新物理学迹象。霍尔兹推测，引力可能以我们意想不到的方式运作，或者宇宙学计算中可能缺少未知的粒子。
或者，LIGO也可能得出一个全新的哈勃常数值，超出超新星和CMB所设定的范围。这种情况将造成一场噩梦，动摇宇宙学的根基。“那将是对我们一切测量能力产生质疑，”里斯说，“我希望我们不会走到那一步。”
现在，霍尔兹感到很高兴，因为他的赌注正在得到回报。去年他认为第一次数据点还有十年才出现，而几个月后，当LIGO在二月重新运行时，他将开始寻找第二个数据点。“我花了多年时间研究和发展这个想法，”霍尔兹说。“而在不到半天的时间里，它在我面前就展开了。”
