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宇宙膨胀问题有新研究成果,可谓是喜忧参半

2018.03.15

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据Earthsky网站3月11日报道,关于宇宙膨胀问题,一直是科学界的最前沿话题。这次科学家为我们带来了一个好消息和一个坏消息。

好消息是天文学家已经获得了目前为止最为精确的数据,揭示了自从宇宙大爆炸以来宇宙膨胀的速率。而坏消息则是这个新的测量数字与独立测量的早期宇宙膨胀数据有所差异,这可能意味着我们对于宇宙构造的理论仍不完善。

在宇宙的深处,是不是有些是人类真的没有预料到的呢?

诺贝尔奖获得者,John Hopkins大学的著名教授亚当里斯说:天文圈正在努力理解这个差异中蕴含的意义。

他领导了一个用哈勃望远镜测量宇宙膨胀率的小组,并在2011年因为发现宇宙加速膨胀而获得诺贝尔奖。

由来自Hopkins大学和空间望远镜科学协会研究者们组成的团队,在过去6年内使用哈勃空间望远镜,把恒星当作距离标记来获得星系更精确的距离数据。这些测量用来计算宇宙随时间的膨胀速率,也就是哈勃常数。

由欧空局普朗克卫星得到的测量数据用来绘制宇宙微波背景辐射图,它预测哈勃常数目前应为42英里(67千米)每秒每百万秒差距(330万光年),不高于43英里(69公里)每秒每百万秒差距。这意味着离我们330万光年远的星系相对于我们的移动速度每秒快42英里(67公里)。但是里斯的团队测量到的数据是45英里(73公里)每秒每百万秒差距,这说明什么呢?现在星系的移动速度比通过观测早期宇宙而推断的移动速度更快。

哈勃望远镜的数据如此精确,以至于天文学家并不认为它错了,也不能忽视其中差异。里斯说:两个结果均已成功接受多重检验。如果没有错误的话,可能这个差异代表的并不是BUG(漏洞),而是宇宙的一种特征了。

解释这个“恼人”的差异

里斯想出了误判的几种可能解释,它们都与宇宙中含量95%的人们看不到的物质有关。一种可能性是暗能量——使宇宙加速膨胀的物质。它可能会以更强有力的姿态把星系们互相扯远。于是,宇宙膨胀的加速度可能并不是一个常数,而是随着时间不断变化。

另一个想法是宇宙中有一种新的亚原子粒子,以接近光速传播。这样速度的粒子被统称为“暗辐射”,包括以前人们知道的中微子(在核反应和放射衰变中产生)。与寻常可以与亚原子力互动的中微子不同,这种新粒子只会受重力场影响,于是它得到了一个绰号:“顽固”中微子。

另一种吸引人的可能性是暗物质——一种不可见的物质形式,也不是由质子种子电子组成的。人们发现它与一般物质或辐射的互动比之前预测的更猛烈一些。

上述任何情形都能改变早期宇宙,造成理论模型之间的差异性。这些差异会使通过对早期宇宙观测而计算出的哈勃常数值不正确,并且使这个计算出的哈勃常数值与本次通过哈勃观测而计算出的哈勃常数值不同。

里斯和他的同事们并没有这个问题的答案,但是他的团队会继续为精确的宇宙膨胀速率而努力。目前为止,一个昵称为SHOES的团队,已经把不确定性降低到了2.3%。

创造更好的距离尺度

团队通过对宇宙距离测量方法的升级,成功获得了哈勃常数更精细的数值。这种测量方式包括一系列互相联系的测量方法,允许天文学家测量几十亿光年外星系的距离。

用尺子来测距对于这些星系来说显然不可能,但是他们用一些特殊的恒星和超新星当做参照物,可以精确测量星系距离。

最常用的测离我们较近星系距离的参照物就是造父变星,它在特定周期内会有从明亮到暗淡的变化。一些遥远的星系也有其他的参照物,比如恒星爆炸后的产物——Ia型超新星,它们很亮,在很远的地方就能看到;同时所有Ia型超新星的亮度一致。用视差法,天文学家可以测出它们到我们的距离,不受亮度影响。

之前的哈勃观测数据研究了在300光年到1600光年外10颗“不停闪烁”的造父变星。最新的研究用视差法测定了银河系内新发现的8颗造父变星的距离,它们比以前使用的造父变星远10倍,在6000光年到12000光年远。

为了用哈勃望远镜测量视差,里斯的团队必须通过日地运动精确测量造父变星轻微的晃动。这些晃动在望远镜的相机里只占百分之一像素,相当于在100英里(160公里)外看沙子。

为了确保测量的精确程度,天文学家发明了更机智的方法——在1990年哈勃望远镜发射时这个方法甚至还没有问世。他们用一种扫描技术,在4年中每6个月用望远镜测量恒星位置,1分钟的时间可以测量1000次。这样得到的图像是光的条纹。里斯说:这个方法可以通过重复的测量来得到最微小的偏移数据。你用相机来测量两颗恒星的间隔,而不仅是一个地方,但经过几千次的测量,误差总会减小。

里斯的团队比较了地球到星系的相对距离和通过红移测量到的宇宙膨胀数据,使用了各个距离中星系的速度计算哈勃常数。他们的目标是使用来自哈勃望远镜和欧空局Gaia空间天文台的数据继续降低不确定性,以前所未有的精度测量恒星的位置和距离。

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文/译:孙韬淳。更多精彩内容,请关注企鹅号“中国星空摄影联盟”。

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