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哈勃望远镜证实宇宙还在加速膨胀,科学家:还有谜团无法解释

哈勃望远镜证实宇宙还在加速膨胀,科学家:还有谜团无法解释

川陀太空

川陀太空(Everett)20世纪20年代,埃德温·哈勃提出重大发现,即宇宙正在膨胀。这一理论最初由爱因斯坦广义相对论推测出,被证实后得到了哈勃常数。在近几十年里,由于哈勃太空望远镜(HST)等新一代望远镜的发展,科学家们不得不修改此定律。总之,过去几十年,科学家能够看到宇宙更遥远的地方(以及时间更深处),从而更精确地测量早期宇宙的膨胀速率。得益于利用哈勃望远镜进行的一项新调查,一个国际天文学家研究团队得到了迄今为止对宇宙膨胀速率最精确的测量结果。

这项调查由超新星H0状态方程(SH0ES)研究团队执行,该国际天文学家研究团队自2005年以来,一直致力于改善哈勃常数的精度。该团队由来自太空望远镜科学研究所(STScI)和约翰霍普金斯大学的Adam Reiss带领,团队成员包括来自美国自然历史博物馆,尼尔斯玻尔研究所,国家光学天文台以及多所名校和研究机构的研究人员。

哈勃望远镜成像的哈勃深空星系的深度图,以宇宙年龄为单位。

最近,这项研究在《天体物理学》杂志上发表了题为“哈勃太空望远镜多周期财政项目中红移距离>1.5的超新星Ia:早期膨胀速率”的论文。为了开展研究,并与其长期目标保持一致,该团队试图构建一个新的更精确的“距离梯度”。

天文学家利用这个工具进行传统的宇宙距离测量,包括利用造父变星(脉动星,可以通过比较绝对亮度与视亮度来确定其距离)等距离标尺。然后将测量结果与来自遥远星系的光线红移进行比较,从而确定星系之间的空间膨胀速率。

由此便能推导出哈勃常数。为了构建自己的距离梯度,Riess及其团队利用哈勃望远镜的第三代广域相机(WFC3)对银河系中8颗新研究的造父变星进行了视差测量。这些恒星比过去研究的任何恒星(距离地球6000到12000光年)都要远10倍,且脉冲间隔时间更长。

为了确保这些变星摆动的准确性,该团队还研究出一种新方法,利用哈勃望远镜在4年中每6个月在1分钟内测量一颗恒星的位置1000次。然后比较这8颗造父变星与更遥远的造父变星的亮度,从而确保能够更精确地计算其他星系的距离。

图片展示了天文学家测量宇宙膨胀速率(哈勃常数)的三个步骤,测出的哈勃常数达到空前的精度,总的不确定性降低到2.3%。天文学家利用这项新技术,哈勃能够捕捉这些变星相对于其他恒星的位置变化,从而极大地简化了测量过程。川陀太空认为,这种方法能够反复测量由视差引起的非常微小的位移。我们测量的是两颗恒星之间的距离,不是测量相机上的一个地方,而且测量几千次,从而减少测量误差。

与过去的调查相比,该团队能够将需要分析其距离的恒星数量增加至少10倍。但是,他们的研究结果与欧洲航天局(ESA)普朗克卫星的测量结果存在差异,该卫星于2009年发射用于测量宇宙微波背景辐射(CMB,宇宙大爆炸产生的残余辐射)。通过绘制CMB图,普朗克能够追踪大爆炸后约37.8万年的早期宇宙的宇宙膨胀。普朗克研究结果推测出,现在的哈勃常数应该是67千米/秒/百万秒视差(330万光年),并且应该不会超过69千米/秒/百万秒视差。

宇宙大爆炸时间轴。宇宙中微子被放射时会影响CMB,直到今天,物理学还在考虑其残余影响。

根据其调查结果,Riess团队测得哈勃常数为73千米/秒/百万秒视差,与普朗克测量值相差9%。事实上,Riess团队的研究结果表明,早期宇宙的星系移动速率比观测值更快。由于哈勃的测量数据非常精确,天文学家无法将两种测量结果之间的差距视为任何单次测量产生的误差。川陀太空认为,该领域的科学家都在努力理解这个差距的意义,两种结果都进行过多种方法测试,因而可以排除一系列无关错误。这个结果愈发不像是一个错误,而是宇宙的一个特征。所以,尽管这种差异对研究人员提出了新的挑战,但它在测量宇宙距离时也大幅降低了其不确定性。最终,将提高我们对大爆炸后138亿年宇宙演化过程的理解。

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