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研究发现宇宙的膨胀速度比模型预测的要快

哈勃太空望远镜的最新测量结果表明,宇宙的膨胀速度比科学家的模型预测的要快--这暗示着一些未知的成分可能在宇宙中起作用。这是现代天文学中最大的难题之一。根据对恒星和星系的多种观察,宇宙似乎比我们最好的宇宙模型预测的速度要快。

对于这个难题的证据已经积累了多年,这使得一些研究人员称其是在宇宙学中一场迫在眉睫的危机。

现在,一组使用哈勃太空望远镜的研究人员已经汇编了一个巨大的新数据集,他们发现了百万分之一的概率,即这种差异是一种统计上的侥幸。换言之,现在看起来更有可能的是,宇宙中有一些基本的成分或是已知成分的一些意想不到的效果,不过天文学家对此还没有确定下来。

约翰-霍普金斯大学的天文学家Adam Riess指出:“宇宙似乎给我们带来了很多惊喜,这是件好事,因为它帮助我们学习。”

据了解,这个天文领域的难题被称为哈勃张力,以天文学家Edwin Hubble命名。1929年,他观察到一个星系离我们越远其后退速度就变得越快--这一观察有助于为我们目前关于宇宙从大爆炸开始并不断膨胀的概念铺平道路。

研究人员试图通过两种主要方式来测量宇宙目前的膨胀速度:通过测量跟附近恒星的距离及通过绘制可追溯到新生宇宙的微弱光辉。这些双重方法提供了一种测试我们在超130亿年宇宙历史中对宇宙的理解的方法。这项研究还发现了一些关键的宇宙成分,如“暗能量”,这种神秘的力量被认为是推动宇宙加速膨胀的动力。

但这两种方法在宇宙目前的膨胀率上有约8%的分歧。这一差异可能听起来不大,但如果这一差异是真实的,那么就意味着宇宙现在的膨胀速度甚至超过了暗能量所能解释的速度--这意味着我们人类对宇宙的核算出现了一些问题。

研究人员在上周提交给《The Astrophysical Journal》的几项研究中描述了他们的发现,他们使用特定类型的恒星和恒星爆炸来测量我们和附近星系之间的距离。该数据集包括对42种不同的恒星爆炸的观测,这比同类的下一个最大分析高出一倍多。根据该团队的工作,他们的新分析和早期宇宙的测量结果之间的张力已经达到了五西格玛。

不过其他天文学家仍看到数据中可能存在的误差空间,这意味着哈勃张力仍有可能只是一个伪命题。

团队成员、杜克大学的天文学家Dan Scolnic表示:“我不知道这么大的误差是如何隐藏在这一点上的,如果是这样的话,这只是没有人提出的东西。我们已经检查了所有向我们提出的想法,没有任何东西能做到这一点。”

宇宙微波和距离阶梯

哈勃张力来自于测量或预测宇宙目前的膨胀率的尝试,这被称为哈勃常数。通过利用它,天文学家可以估计宇宙自大爆炸以来的年龄。

获得哈勃常数的一种方法是依靠宇宙微波背景(CMB),这是宇宙刚诞生38万年时形成的微弱光芒。ESA普朗克天文台等望远镜已经测量了CMB并提供了早期宇宙中物质和能量如何分布的详细快照及支配它们的物理学。

通过利用一个曾成功预测宇宙许多特性的模型--兰姆达冷暗物质模型,宇宙学家可以从数学上将CMB中看到的新生宇宙快进并预测今天的哈勃常数应该是什么。这种方法预测宇宙应该以67.36公里/秒/百万秒差距的速度膨胀。

相比之下,其他团队通过观察“本地”宇宙--离我们比较近的现代恒星和星系来测量哈勃常数。这个版本的计算需要两种数据:一个星系从我们身边退去的速度以及该星系跟我们之间的距离。这反过来又要求天文学家开发出所谓的宇宙距离阶梯。

新研究的宇宙距离阶梯是由Riess的研究小组SH0ES组建的,其从测量我们和某些被称为造父变星的恒星之间的距离开始。造父变星很有价值,因为从本质上讲,它们就像已知瓦特数的频闪灯。它们会规律地变亮和变暗,且越是明亮的造父变星其脉动就越慢。通过利用这一原理,天文学家可以根据它们的脉动速度来估计更遥远的造父变星的内在亮度并最终计算出这些星球跟我们之间的距离。

为了将这个阶梯延伸得更远,天文学家们在被称为1a型超新星的恒星爆炸的基础上增加了一些梯级。通过研究同时拥有造父变星和1a型超新星的星系,天文学家们可以计算出超新星的亮度和它们的距离之间的关系。由于1a型超新星比造父变星要亮得多,它们可以在更远的地方被看到并让天文学家把他们的测量结果扩展到宇宙中更深的星系。

对变化的核算

问题是,准确测量所有这些恒星和超新星是非常复杂的。从技术上讲,并非所有的造父变星和1a型超新星看起来都完全一样:有些可能有不同的成分、不同的颜色或不同类型的宿主星系。天文学家们已经花了很多年的时间来研究如何解释所有这些变异性--但要肯定地知道一些隐藏的误差源没有在天平上推波助澜是非常困难的。

为了解决这些问题,一个名为Pantheon+合作的研究小组详尽地分析了自1981年以来收集的1701个1a型超新星的观测数据。该分析包括努力量化所有已知的不确定性和偏差的来源。

“我们关心的是,比如1991年11月的天气和望远镜的观测情况--这很难,”杜克大学的Scolnic说道。他跟哈佛-史密森天体物理学中心的研究员Dillon Brout共同领导Pantheon+。

该团队的发现为Riess和他的SH0ES同事的新分析提供了依据。在对可能影响造父变星观测的因素进行了同样详尽的交叉检查之后,该小组得出了迄今为止对哈勃常数的最精确估计:每兆焦73.04公里/秒(正负1.04)。这比普朗克天文台对CMB的测量所推断出的数值高了约8%。

另外,研究小组还不遗余力地测试外部科学家对其哈勃常数估计值高于普朗克常数的想法。总之,研究人员对他们的分析进行了67次变体分析--其中许多变体使紧张局势变得更糟。

“我认为,我们已经认真听取了许多关切和问题。这不仅仅是一个'快变’......我们已经做了很多深挖兔子洞的工作,”Riess说道。

未知的宇宙

不过近年来,来自芝加哥大学的Wendy Freedman一直在研究一种不依赖脉冲式恒星的估计方法。相反,她使用一组特定的红巨星。基于这些备用的“标准烛光”或具有已知内在亮度的天体,Freedman对哈勃常数的独立估算为69.8公里/秒/百万秒差距--处于其他两个测量值的中间。

尽管团队进行了仔细的工作,但Freedman指出,未被发现的错误仍可能会影响到分析,也许会造成一种虚幻的紧张。她补充称,一些不确定性的来源也是不可避免的。首先,只有三个离银河系足够近的星系,其距离我们可以直接测量而宇宙距离阶梯的基础就在这三个星系上。

Freedman说道:“三个虽然是个小数字,但这是大自然赋予给我们的。”

Pantheon+和SH0ES团队对Freedman及其他人的结果进行了长时间的研究,他们的一些不同的分析研究了如果将Freedman的首选恒星跟造父变星和1a型超新星一起加入到宇宙距离阶梯中会发生什么。根据他们的工作,包括这些额外的恒星会略微降低对哈勃常数的估计--但它并没有消除这种紧张。

如果哈勃常数真的反映了我们的物理现实,那么解释它可能需要在我们的宇宙基本成分列表中增加另一个项目。

其中一个领先的理论竞争者--被称为早期暗能量--提出在大爆炸后约5万年曾有过一个短暂的暗能量爆发。原则上,短暂的额外暗能量可以改变早期宇宙的膨胀,这足以解决哈勃张力,而不会对宇宙学的标准模型造成太大的干扰。

但在这个过程中,宇宙学家对宇宙年龄的估计将从目前的138亿年下降到约130亿年。

来自德克萨斯大学奥斯汀分校的天体物理学家Mike Boylan-Kolchin指出:“有很多问题,为什么你必须引入这个刚刚出现又消失的新事物--这感觉有点好笑。但我们正处在一个地方--如果这些东西真的那么不一致也许我们必须开始在宇宙的有趣角落里寻找。”

尽管一些暗示已经出现了,但目前还没有关于早期暗能量的大满贯证据。今年9月,智利测量宇宙微波背景的设施--阿塔卡马宇宙学望远镜称包括早期暗能量的模型比标准宇宙学模型更适合其数据。不过普朗克望远镜的数据提出了不同的意见,因此需要未来的观测来弄清这个谜团的真相。

其他观测站也应该能帮助澄清哈勃张力。如ESA的盖亚卫星自2014年以来一直在绘制银河系的地图,其为我们跟银河系许多恒星之间的距离带来了越来越精确的估计,其中就包括造父变星。而即将到来的詹姆斯-韦伯太空望远镜将帮助天文学家反复检查哈勃对某些恒星的测量。

Freedman说道:“我们是在可能的边缘工作的。我们将弄清这个问题的真相。”

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