未解之谜 科学家测量宇宙膨胀却产生更...

科学家测量宇宙膨胀却产生更多疑惑

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【新三才编译首发】过去百年来,天文观测的进展让科学家们能够建构一个非常成功的关于宇宙如何运转模式。这项观点是有道理的。 因为当人们越能更好地测量一件事务,就能对它有越多的了解。

但当提及宇宙膨胀的速度有多快速这个问题时,一些新的宇宙学的测量结果却是让我们倍感困惑。

自上世纪20年代以来,我们已知道宇宙正在膨胀中——离我们越远的星系,远离我们速度就越快。事实上,在上世纪90年代,发现宇宙膨胀的速度正在加速中。

目前宇宙的膨胀率是由称为「哈伯常数」所测定与陈述的, 它是一个基本的宇宙学参数。

直到最近,似乎我们对哈伯常数的值正在收敛中。但是,在使用不同技术时,测量出来的值却出现了一项令人费解的差异性。

目前,一项发表在《科学》杂志上的新研究提出了一种可能有助于解开这一谜团的方法。

精确度问题

哈伯常数可以借由结合对其它星系远离我们的速度的距离测量值来估算数值。

到了本世纪末,科学家们一致认为,这个值大约是每兆比特每秒70公里,一个百万差距就超过3百万光年。但在过去几年中,一些新的测量结果显示这可能不是最终答案。

如果我们利用对当今本地宇宙的观测值来估计哈伯常数,得到的值为73。但我们也可以使用大爆炸遗留下来的背景辉光——「宇宙微波背景」的观察值来评估哈伯常数。但这种「早期」宇宙发展遗留下来的辐射测量所得的值较低,约为67。

令人担忧的是,据报,这两种测量法皆具足够精确度,但这两种方法必然存在某种问题。对此,天文学家们委婉地称之为哈伯常数准确值的「张力」。

如果你是属于担忧性格的类型,那么这张力可指出其中一种或这两种测量法的某种未知系统问题。如果你是属于兴奋型的,那么这种差异可能可视为我们之前不知道的一些新物理学的一项线索。

虽然到目前为止该测量法算是非常成功,但为何两种测量法所得的值不同呢?或许是我们的宇宙学模型有误,或者至少是不完整的。

远域与近域宇宙

为了弄明白不同测量值的原因,我们需要更完善地连接极近域和极远域宇宙之间的距离尺度。

新报告提出了解决这一难题的巧妙方法。许多对膨胀率的估计是靠着对物体距离的精确测量。但这真的很难做到,因我们不可能用卷尺去绕量整个宇宙。

因此,一种常见的方法是使用「第1a类」超新星(爆炸恒星)。这些超新星非常明亮,所以我们在远处就可看到它们。当我们知道它们应该可发出多大的亮度时,我们就可以借由比较它们的外观亮度和已知的光度来计算它们的距离。

要从超新星观测值中得出哈伯常数,观测值必须根据绝对距离尺度进行校准,因为它们的总亮度仍有相当大的不确定性。

目前,这些「锚点」是非常靠近我们(并且非常精确)的距离标记,例如造父变星,它们周期性地变亮和变暗。如果我们在宇宙中有更远的绝对距离锚点,那么就可以在更宽广的宇宙范围内更准确地校准超新星距离。

广布锚点

这项新工作借由利用一种称为重力透镜效应而投下了几个新的锚点。

借由观察来自背景光源发出的光在经过前方巨大物体的重力场(比如星系)时,光线如何像通过透镜一样发生弯曲的程度,我们就可以计算出该前景物体的性质。

该团队已持续在研究两个正在探测来自另外两个背景星系的光线透镜效应的星系。

但因背景光源的扭曲过大了,以至于每个背景星系的多个图像投射在前景偏转器周围 (如上图所示)。

构成每个图像的光线分量在它们射达地球的过程中,在前景偏转器周围弯曲时 光线移动的距离会稍微不同。因此会导致延迟光线穿过透镜图像的到达时间。

如果背景光源具有相当固定的亮度,我们就不会察觉到时间的延迟。但是当背景光源本身亮度无法保持一定时,我们便可测量光抵达时间的差异。这项工作正是在做这件事。

光线穿过透镜图像的时间延迟与前景星系偏折光的质量及其物理大小有关。因此,当我们结合测量的时间延迟与偏移星系(我们所知的)质量二项因素时,我们就可以准确地测量其物理大小。

如同手握一个便士硬币在手臂的距离一样,然后我们就可以将星系的外观大小与物理大小进行比较来确定距离,因为固定大小的物体在远处时会显得更小。

作者群提出了两个偏移星系的绝对距离,分别为810和1230 百万秒差距,误差幅度约为10至20 百分比。

将这些测量值作为绝对距离锚点进行处理,作者群继续从用于确定哈勃常数的公认数据集重新分析740超新星的距离校准。他们得到的答案是每兆比特每秒正好超过82公里。

与上述数字相比,这个值是非常高的。但关键点是,只用两个相距的锚点来做分析,所得的值的不确定性仍然很大。不过重要的是,所获得的值在统计上与从近域宇宙测量的值是一致。

借由搜寻和测量与其它强重力透镜效应和时变星系的距离,可以减少不确定性。但这不常有,不过即将开展的研究项目像「大型综合巡天望远镜」应该能够检测到许多这样的系统,进而提高获得可靠值的希望。

这项结果产生了另一个难题。还需要多方探索求证来获取可靠数值,目前仍然无法解释为什么取自宇宙微波背景产生的值这么低。这个谜团仍然存在,希望不久之后可拨云见日。

本文作者詹姆斯 · 吉奇(James Geach)为天文学教授与英国赫特福德大学(University of Hertfordshire)皇家学会大学研究员。

(编译:Ruby Huang)

(责任编辑:姜启明)

(文章来源:新三才首发)

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