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新哈勃精确测量证实宇宙加速膨胀,但仍然不知道为什么会这样

【博科园-科学科普】20世纪20年代,埃德温·哈勃提出了一个突破性的发现:宇宙处于膨胀状态。最初的预测是爱因斯坦广义相对论的结果,这一发现后来被称为哈勃常数。在几十年的时间里,多亏了新一代望远镜的部署——就像被命名的哈勃太空望远镜(HST),科学家们被迫修改了这项定律。

这些哈勃太空望远镜的图像展示了在一个项目中分析的19个星系中的两个,以提高宇宙膨胀率的精确度,这个值被称为哈勃常数。彩色合成图像显示NGC 3972(左)和NGC 1015(右),分别位于距离地球6500万光年和1.18亿光年。每个星系的黄圈代表了被称为造父变星的脉动恒星的位置。图片版权:NASA, ESA, A. Riess (STScI/JHU)

简而言之在过去的几十年里,可以看到更远的宇宙空间(以及更深入的时间),使得天文学家能够更精确地测量宇宙早期膨胀的速度。多亏了用哈勃望远镜进行的一项新研究,一个国际天文学家小组已经能够对宇宙膨胀率进行最精确的测量。

这项研究是由超新星H0进行的,它是由一个国际天文学家小组(SH0ES)组成的,自2005年以来一直致力于改进哈勃常数的精确度。该组织由太空望远镜科学研究所(STScI)和约翰·霍普金斯大学的亚当·赖斯(Adam Reiss)领导,包括来自美国自然历史博物馆、尼尔斯·玻尔研究所、国家光学天文观测站以及许多著名大学和研究机构的成员。

在宇宙年龄的单位中,哈勃在先前的深场观测中对星系的深度的说明。图片版权:NASA and A. Feild (STScI)

这项研究最近发表在《天体物理学杂志》上,题目是“从哈勃太空望远镜的多周期库项目:早期的膨胀率”中,“Ia型超新星距离在红移>1.5”。为了研究,并与他们的长期目标一致,团队寻求建立一个新的更精确的“距离阶梯”。这一工具是天文学家在宇宙中传统测量距离的方法,它包括了像造父变星这样的距离标记,通过将它们的内在亮度与它们的表面亮度进行比较,从而推断出它们之间的距离。然后将这些测量与距离星系的光进行比较,以确定星系之间的空间扩张的速度。

由此哈勃常数得到了推导,为了建造的遥远的梯子,Riess和他的团队用哈勃的宽视野相机3 (WFC3)对银河系中8个新造的造父变星进行了视差测量。这些恒星的距离是之前研究的10倍——从地球上的6000到12000光年——以及更长的时间间隔。为了确保这些恒星的摇摆度,研究小组还开发了一种新的方法,哈勃在4年内每6个月测量一颗恒星的位置,每分钟1000次。然后研究小组将这八颗恒星的亮度与更遥远的仙王座星进行比较,以确保它们能够更精确地计算出其他星系的距离。

图中显示了天文学家用来测量宇宙膨胀率(哈勃常数)的三个步骤,以达到前所未有的精确度,将总不确定性降低到2.3%。图片版权:NASA/ESA/A. Feild (STScI)/and A. Riess (STScI/JHU)

利用这项新技术,哈勃望远镜能够捕捉到这些恒星相对于其他恒星的位置变化,这大大简化了事情。正如里斯在NASA新闻发布会上解释的那样:这种方法允许重复的机会来测量由于视差而产生的极小的位移。你测量的是两颗恒星之间的距离,不仅仅是在相机上的一个地方,而是在数千次,减少了测量中的误差。

与以往的研究相比,该团队能够将分析的恒星数量扩大到更远的10倍。然而研究结果也与欧洲航天局(ESA)普朗克卫星所获得的结果相一致,后者一直在测量宇宙微波背景(CMB)——这是大爆炸产生的残余辐射,因为它是在2009年部署的。通过映射CMB,普朗克能够追踪宇宙早期宇宙的膨胀——circa。普朗克的结果预测在大爆炸之后的378000年,哈勃常数现在应该是每秒67公里,每百万秒(330万光年),也不可能高于每秒69公里。

宇宙大爆炸的时间轴。宇宙中微子在发射时影响到宇宙微波背景,而物理学直到今天才开始关注它们的演化。图片版权:NASA/JPL-Caltech/A. Kashlinsky (GSFC).

基于他们的sruvey,Riess的团队每百万秒获得73公里的值,相差9%。从本质上说,他们的研究结果表明,星系的运动速度比早期宇宙观测所暗示的速度要快。由于哈勃的数据是如此精确,天文学家无法将这两个结果之间的差距排除在任何单一测量或方法中。赖斯解释说:解决了解这种差异的意义…结果都测试了多种方法,因此除非是一系列不相关的错误。越来越有可能的是,这不是一个缺陷,而是宇宙的一个特征。

这些最新的结果表明,一些以前未知的力量或一些新的物理学可能在宇宙中发挥作用。在解释方面,Reiss和他的团队提供了三种可能性,所有这些都与我们无法看到的宇宙的95%有关(即暗物质和暗能量)。在2011年Reiss和另外两位科学家因1998年的发现而获得了诺贝尔物理学奖,这一发现表明宇宙正在加速膨胀。与此相一致,他们认为暗能量可能会随着强度的增加而将星系分开。另一种可能性是存在一个未被发现的亚原子粒子,它与中微子相似,但它与普通物质的作用是由重力而不是亚原子力相互作用的。这些“贫瘠的中微子”将以接近光速的速度传播,并被统称为“暗辐射”。

这幅图展示了宇宙的演变,从左边的大爆炸到现代的右边。图片版权:NASA

任何这些可能性都意味着早期宇宙的内容是不同的,从而迫使我们重新思考宇宙模型。目前里斯和他的同事没有任何答案,但计划继续微调他们的测量。到目前为止团队已经将哈勃常数的不确定性降低到了2.3%。

这与哈勃太空望远镜的中心目标一致,这是为了帮助减少哈勃常数的不确定度,因为这个常数的估计值曾经变化了2倍。因此尽管这种差异打开了新的和有挑战性问题的大门,但它也减少了我们在测量宇宙时的不确定性。最终这将提高我们对宇宙如何演化的理解,它是在138亿年前的一场激烈的灾难中诞生的。

知识:科学无国界,博科园-科学科普

参考:NASA,The Astrophysical Journal

作者:Matt Williams

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