最新「哈勃常數」測量表明:宇宙「標準模型」本身可能出了問題!

2020-12-25 騰訊網

用國際射電望遠鏡進行的一組新精確距離測量，極大地增加了理論家需要修改描述宇宙基本性質「標準模型」的可能性。新的距離測量使天文學家能夠改進對哈勃常數（宇宙膨脹率）的計算，這個值對於測試描述宇宙組成和演化理論模型很重要。問題是，當應用於普朗克衛星對宇宙微波背景的測量時，新的測量加劇了之前測量哈勃常數與模型預測值之間的差異。

美國國家射電天文臺（NRAA）詹姆斯·布拉茨(James Braatz)表示：我們發現星系比標準宇宙學模型預測的更近，這證實了其他類型的距離測量中發現一個問題。這個問題是存在於模型本身，還是存在於用於測試它的測量結果。研究使用了一種完全獨立於所有其他測量技術的距離測量技術，縮小了實測值和預測值之間的差距，很可能是預測中涉及的基本宇宙學模型存在問題。

哈勃常數

布拉茨領導著Megamaser宇宙學項目，該項目通過尋找具有特定屬性的星系來測量哈勃常數，這些星系有助於產生精確的幾何距離。該項目使用了國家科學基金會的甚長基線陣列(VLBA)、卡爾·G·詹斯基甚大陣列(VLA)和羅伯特·C·伯德·格林班克望遠鏡(GBT)，以及德國的艾菲爾斯伯格望遠鏡，其研究發現發表在《天體物理學》期刊上。哈勃太空望遠鏡是以著名天文學家埃德溫·哈勃的名字命名。

哈勃在1929年首次通過測量到星系的距離和後退速度來計算宇宙的脹率(哈勃常數)。星系距離越遠，離地球的後退速度就越快，現在哈勃常數仍然是觀測宇宙學的一個基本性質，也是許多現代研究的焦點。測量星系的後退速度相對簡單。然而，對天文學家來說，確定宇宙距離一直是一項艱巨的任務。對於我們銀河系中的物體，天文學家可以通過測量從地球繞太陽軌道的兩邊觀察時物體位置的明顯偏移來測量距離。

標準蠟燭

這種效應被稱為視差，第一次這樣測量恆星的視差距離是在1838年。在銀河系之外，視差太小而無法測量，所以天文學家們依賴於被稱為「標準蠟燭」天體，之所以這樣命名，是因為天文學家假定它們的固有亮度是已知的。到已知亮度物體的距離可以根據該物體從地球上看起來有多暗來計算。這些標準蠟燭包括一類被稱為造父變星的恆星和一種特殊類型的恆星爆炸，被稱為Ia型超新星。

另一種估計膨脹率的方法包括觀察遙遠的類星體。這些類星體的光線，因前景星系的引力效應而彎曲成多幅圖像。當類星體的亮度變化時，這種變化會在不同的時間出現在不同的圖像中。測量這一時間差，以及計算光彎曲的幾何形狀，就可以得到膨脹率的估計值。根據標準蠟燭和引力透鏡類星體測定哈勃常數，得出的數值為每73~74km/s/Mpc。然而，將標準宇宙學模型中的哈勃常數預測應用於宇宙微波背景(CMB)-大爆炸遺留下來的輻射測量時：

得到的值為67.4km/s/Mpc，這是一個顯著而令人不安的差異。天文學家表示，這種差異超出了觀測中的實驗誤差，對標準模型有嚴重影響。這個模型被稱為蘭姆達冷暗物質（蘭姆達CDM），其中「蘭姆達」是指愛因斯坦的宇宙常數，是暗能量的代表。該模型將宇宙的組成主要分為普通物質、暗物質和暗能量，並描述了自大爆炸以來宇宙是如何演化的。Megamaser宇宙學項目的重點是：星系中心有含水分子吸積盤圍繞著超大質量黑洞旋轉的星系。

新哈勃常數值

如果從地球上幾乎可以看到繞軌道運行的黑洞吸積盤，稱為脈澤的射電發射亮點。可以用來確定黑洞吸積盤的物理大小和角度範圍，因此，通過幾何學，可以確定它的距離，研究團隊使用全世界射電望遠鏡來進行這項技術所需的精確測量。在最新研究中，研究小組改進了對四個星系的距離測量，距離從1.68億光年到4.31億光年不等。結合之前對另外兩個星系的距離測量，計算得出了哈勃常數的值為73.9km/s/Mpc。

測試宇宙標準模型是一個非常具有挑戰性的問題，需要對哈勃常數進行有史以來最精確的測量。哈勃常數預測值和實測值之間的差異指向了所有物理學中最基本的問題之一，所以科學家希望有多個獨立的測量來證實這個問題，並測試這個模型。哈佛史密斯天體物理中心的研究員多姆·佩斯(Dom Pesce)說：才用幾何方法，完全獨立於所有其他方法，縮小了這種差異。測量宇宙膨脹率的脈澤方法很優雅，而且與其他方法不同，它是基於幾何學的。

宇宙模型出了問題

通過測量遙遠黑洞周圍吸積盤中脈澤斑點極其精確的位置和動力學，可以確定到宿主星系的距離，然後確定膨脹率。Megamaser宇宙學項目團隊的成員、哈佛和史密森天體物理中心的馬克·裡德說：自這項獨特技術的結果加強了觀測宇宙學中一個關鍵問題的理由。對哈勃常數的測量與其他測量非常接近，在統計上與基於CMB和標準宇宙模型的預測非常不同，所有跡象都表明標準模型需要修訂。

天文學家有多種方法來調整模型以解決這種差異，其中一些措施包括改變對暗能量性質的假設，遠離愛因斯坦的宇宙常數。其科學家則著眼於粒子物理學的根本性變化，比如改變中微子的數量或類型，或者改變中微子之間相互作用的可能性。還有其他的可能性，甚至更具異國情調，目前科學家們沒有明確的證據來區分它們。這是觀察和理論相互作用的經典案例，蘭姆達冷暗物質模型多年來一直運行得相當好，但現在的觀察顯然指出了一個需要解決的問題，問題似乎出在模型上。

博科園｜研究/來自：美國國家射電天文臺

研究發表期刊《天體物理學》

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