未解之謎 科學家測量宇宙膨脹卻產生更...

科學家測量宇宙膨脹卻產生更多疑惑

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【新三才編譯首發】過去百年來,天文觀測的進展讓科學家們能夠建構一個非常成功的關於宇宙如何運轉模式。這項觀點是有道理的。 因為當人們越能更好地測量一件事務,就能對它有越多的了解。

但當提及宇宙膨脹的速度有多快速這個問題時,一些新的宇宙學的測量結果卻是讓我們倍感困惑。

自上世紀20年代以來,我們已知道宇宙正在膨脹中——離我們越遠的星系,遠離我們速度就越快。事實上,在上世紀90年代,發現宇宙膨脹的速度正在加速中。

目前宇宙的膨脹率是由稱為「哈伯常數」所測定與陳述的, 它是一個基本的宇宙學參數。

直到最近,似乎我們對哈伯常數的值正在收斂中。但是,在使用不同技術時,測量出來的值卻出現了一項令人費解的差異性。

目前,一項發表在《科學》雜誌上的新研究提出了一種可能有助於解開這一謎團的方法。

精確度問題

哈伯常數可以藉由結合對其它星系遠離我們的速度的距離測量值來估算數值。

到了本世紀末,科學家們一致認為,這個值大約是每兆比特每秒70公里,一個百萬差距就超過3百萬光年。但在過去幾年中,一些新的測量結果顯示這可能不是最終答案。

如果我們利用對當今本地宇宙的觀測值來估計哈伯常數,得到的值為73。但我們也可以使用大爆炸遺留下來的背景輝光——「宇宙微波背景」的觀察值來評估哈伯常數。但這種「早期」宇宙發展遺留下來的輻射測量所得的值較低,約為67。

令人擔憂的是,據報,這兩種測量法皆具足夠精確度,但這兩種方法必然存在某種問題。對此,天文學家們委婉地稱之為哈伯常數準確值的「張力」。

如果你是屬於擔憂性格的類型,那麼這張力可指出其中一種或這兩種測量法的某種未知系統問題。如果你是屬於興奮型的,那麼這種差異可能可視為我們之前不知道的一些新物理學的一項線索。

雖然到目前為止該測量法算是非常成功,但為何兩種測量法所得的值不同呢?或許是我們的宇宙學模型有誤,或者至少是不完整的。

遠域與近域宇宙

為了弄明白不同測量值的原因,我們需要更完善地連接極近域和極遠域宇宙之間的距離尺度。

新報告提出了解決這一難題的巧妙方法。許多對膨脹率的估計是靠著對物體距離的精確測量。但這真的很難做到,因我們不可能用捲尺去繞量整個宇宙。

因此,一種常見的方法是使用「第1a類」超新星(爆炸恆星)。這些超新星非常明亮,所以我們在遠處就可看到它們。當我們知道它們應該可發出多大的亮度時,我們就可以藉由比較它們的外觀亮度和已知的光度來計算它們的距離。

要從超新星觀測值中得出哈伯常數,觀測值必須根據絕對距離尺度進行校準,因為它們的總亮度仍有相當大的不確定性。

目前,這些「錨點」是非常靠近我們(並且非常精確)的距離標記,例如造父變星,它們週期性地變亮和變暗。如果我們在宇宙中有更遠的絕對距離錨點,那麼就可以在更寬廣的宇宙範圍內更準確地校準超新星距離。

廣佈錨點

這項新工作藉由利用一種稱為重力透鏡效應而投下了幾個新的錨點。

藉由觀察來自背景光源發出的光在經過前方巨大物體的重力場(比如星系)時,光線如何像通過透鏡一樣發生彎曲的程度,我們就可以計算出該前景物體的性質。

該團隊已持續在研究兩個正在探測來自另外兩個背景星系的光線透鏡效應的星系。

但因背景光源的扭曲過大了,以至於每個背景星系的多個圖像投射在前景偏轉器周圍 (如上圖所示)。

構成每個圖像的光線分量在它們射達地球的過程中,在前景偏轉器周圍彎曲時 光線移動的距離會稍微不同。因此會導致延遲光線穿過透鏡圖像的到達時間。

如果背景光源具有相當固定的亮度,我們就不會察覺到時間的延遲。但是當背景光源本身亮度無法保持一定時,我們便可測量光抵達時間的差異。這項工作正是在做這件事。

光線穿過透鏡圖像的時間延遲與前景星系偏折光的質量及其物理大小有關。因此,當我們結合測量的時間延遲與偏移星系(我們所知的)質量二項因素時,我們就可以準確地測量其物理大小。

如同手握一個便士硬幣在手臂的距離一樣,然後我們就可以將星系的外觀大小與物理大小進行比較來確定距離,因為固定大小的物體在遠處時會顯得更小。

作者群提出了兩個偏移星系的絕對距離,分別為810和1230 百萬秒差距,誤差幅度約為10至20 百分比。

將這些測量值作為絕對距離錨點進行處理,作者群繼續從用於確定哈勃常數的公認數據集重新分析740超新星的距離校準。他們得到的答案是每兆比特每秒正好超過82公里。

與上述數字相比,這個值是非常高的。但關鍵點是,只用兩個相距的錨點來做分析,所得的值的不確定性仍然很大。不過重要的是,所獲得的值在統計上與從近域宇宙測量的值是一致。

藉由搜尋和測量與其它強重力透鏡效應和時變星系的距離,可以減少不確定性。但這不常有,不過即將開展的研究項目像「大型綜合巡天望遠鏡」應該能夠檢測到許多這樣的系統,進而提高獲得可靠值的希望。

這項結果產生了另一個難題。還需要多方探索求證來獲取可靠數值,目前仍然無法解釋為什麼取自宇宙微波背景產生的值這麼低。這個謎團仍然存在,希望不久之後可撥雲見日。

本文作者詹姆斯 · 吉奇(James Geach)為天文學教授與英國赫特福德大學(University of Hertfordshire)皇家學會大學研究員。

(編譯:Ruby Huang)

(責任編輯:姜啟明)

(文章來源:新三才首發)

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