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到底哪个是准确的?新哈勃常数测量,让宇宙膨胀率又多一层迷雾!

天文学家们用一种与以往完全不同的恒星,对宇宙膨胀的速度进行了新测量。这一修正后的测量结果来自美国宇航局哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope),成为天体物理学中一个备受争议问题的核心。这个问题可能会导致对宇宙基本性质的新解释。近一个世纪以来,科学家们已经知道宇宙正在膨胀,这意味着宇宙中星系之间的距离每秒钟都在变得越来越大。但是,空间究竟在以多快的速度扩张,这一被称为哈勃常数的数值,仍然难以捉摸。

现在,芝加哥大学教授温迪·弗里德曼和同事们对现代宇宙的膨胀速度有了一个新测量,这表明星系之间的空间,正在以超出科学家预期的速度膨胀。弗里德曼的研究是近几项研究之一,这些研究指出,现代膨胀测量结果与欧洲航天局(European Space Agency)普朗克(Planck)卫星测量的130多亿年前宇宙膨胀数据之间存在令人不安的差异。随着越来越多的研究指出预测和观测之间存在差异,科学家们正在考虑是否需要为宇宙基础物理提出一个新的模型来解释它。

哈勃常数是宇宙参数,它决定了宇宙的绝对规模、大小和年龄;这是我们量化宇宙演化最直接的方法之一。我们之前看到的差异并没有消失,但这一新证据表明,对于当的宇宙模型中是否存在根本性的缺陷,是否存在一个即时且令人信服的理由,目前尚无定论。现在发表在《天体物理学》上发表的一篇新研究论文中,弗里德曼和团队宣布了一项用红巨星测量哈勃常数的新方法。用哈勃望远镜进行的新观测表明,附近宇宙的膨胀速度略低于每秒70千米/百万秒(Km/S/Mpc)。

这一测量值略小于哈勃SH0ES(状态方程用超新星H0表示)团队使用造父变星(Cepheid variables)报告的74 km/s /Mpc值,造父变星是一种恒星,其脉冲周期与峰值亮度相对应。这个由约翰霍普金斯大学和马里兰州巴尔摩市太空望远镜科学研究所的亚当·里斯领导研究小组的新报告,他们为仙王座星象的距离测量技术,将观测结果提高到迄今为止的最高精度。

如何测量膨胀

测量宇宙膨胀率的一个主要挑战是很难精确计算到遥远物体的距离。弗里德曼领导的研究小组利用遥远恒星,对哈勃常数进行了具有里程碑意义的测量。哈勃太空望远镜主要项目组使用造父变星作为距离标记来测量这个值。得出结论,哈勃常数对我们宇宙的值是72Km/s /Mpc。但现在,科学家们采取了一种截然不同的方法:建立一个基于宇宙大爆炸遗留下来的涟漪结构模型,这种结构被称为宇宙微波背景。

普朗克卫星测量结果使科学家能够预测,早期宇宙可能是如何演变成今天天文学家能够测量到的膨胀速率。科学家计算出的数值为67.4 km/s /Mpc,与造父变星测得的速度74.0 km/s /Mpc存在显著差异。天文学家一直在寻找可能导致这种不匹配的任何因素。很自然地,就会产生这样的疑问:这种差异是来自天文学家对我们所测量恒星的某些方面还不了解,还是我们的宇宙模型还不完整,或许两者都需要改进。研究小组试图用一种完全不同的恒星,建立一种新的、完全独立的哈勃常数路径,来检验结果。

某些恒星以一种叫做红巨星的形式结束,从现在起,我们的太阳将经历数十亿年的进化阶段。在某一时刻,这颗恒星经历了一场被称为氦闪的灾难性事件,温度上升到大约1亿度,恒星结构被重新排列,最终极大地降低了亮度。天文学家可以测量不同星系中这一阶段红巨星的表观亮度,可以用这种方法来确定它们的距离。哈勃常数是通过比较距离值和目标星系的明显后退速度来计算,后退速度就是星系移动的速度。研究小组的计算结果表明,哈勃常数为69.8km/s /Mpc——跨越了普朗克和里斯小组得出的数值。

最初的想法是,如果造父变星和宇宙微波背景之间存在一个需要解决的问题,那么红巨星方法可以成为决定性因素。但是研究人员表示,虽然结果与普朗克的结果更接近,但结果似乎并不强烈支持一个答案而不支持另一个。美国宇航局即将发射的广域红外探测望远镜(WFIRST),计划于本世纪20年代中期发射,将能使天文学家能够更好地探索跨越宇宙时间。哈勃式分辨率和100倍的天空视野,将提供丰富的新型Ia超新星、造父变星和红巨星,从根本上改善对近处和远处星系的距离测量。

博科园|研究/来自:美国宇航局戈达德太空飞行中心

参考期刊《天体物理学》

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