愛因斯坦預測的星系翹曲,成為測量「宇宙膨脹」的第三種方法!

2020-11-24 騰訊網

宇宙正在膨脹，這是宇宙學上最大的爭論之一，但宇宙膨脹速度到底有多快？兩種可用的測量產生了不同結果。萊頓物理學家大衛·哈維採用了一種獨立的第三種測量方法，使用了愛因斯坦預測的星系翹曲特性，其研究成果發表在《皇家天文學會月刊》上。自哈勃時代以來，關於宇宙膨脹，我們已經知道了將近一個世紀。天文學家指出，來自遙遠星系光的波長比距離近的星系要短。

光波似乎被拉伸或紅移，這意味著那些遙遠的星系正在遠離。這種稱為哈勃常數的膨脹率是可以測量的，某些超新星或正在爆炸的恆星具有眾所周知的亮度，這使得估計它們與地球的距離並將其與紅移或速度聯繫起來成為可能。每百萬秒的距離（百萬秒差距是330萬光年）星系從我們身邊後退的速度就會以每秒73公裡的速度增加。然而，對宇宙微波背景（宇宙早期的殘餘光）越來越精確的測量，得出了一個不同的哈勃常數：大約每秒67公裡。

不同測量的不同結果

怎麼會這樣呢？為什麼會有不同？這種差異能告訴我們一些關於宇宙和物理學的新信息嗎？萊頓物理學家大衛·哈維(David Harvey)說：這就是為什麼第三種獨立於其他兩種測量方法出現在人們的視野中：引力透鏡。阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)的廣義相對論預言，質量集中(如星系)可以彎曲光路，就像透鏡一樣。當一個星系在明亮的光源前面時，光線在它周圍彎曲，可以通過不同的路逕到達地球，提供兩個，有時甚至四個相同光源的圖像。

1964年挪威天體物理學家斯朱爾·雷夫斯達爾(Sjur Refsdal)經歷了一個「頓悟」時刻：當透鏡星系稍微偏離中心時，一條路徑比另一條路徑長。這意味著光線在這條路徑上需要更長的時間。因此，當類星體的亮度發生變化時，這個光點會出現在一幅圖像中，然後出現在另一幅圖像中，差異可能是幾天，甚至幾周或幾個月。Refsdal指出，這種時差也可以用來確定類星體和透鏡之間的距離。將這些與類星體的紅移相比較，就可以獨立地測量哈勃常數。

想像整個天空

HoliCOW項目下的一項研究合作使用了6個這樣的鏡頭，將哈勃常數縮小到約73。然而，也有複雜的情況：除了距離差，前景星系的質量也會產生延遲效應，這取決於準確的質量分布。哈維說：這必須對這種分布進行建模，但還有很多未知數，像這樣的不確定性限制了這項技術的準確性。2021年當一臺新的望遠鏡在智利看到第一縷曙光時，這種情況可能會改變。維拉·魯賓天文臺致力於每隔幾個晚上對整個天空進行成像，預計將拍攝數以千計的雙類星體圖像，從而提供進一步縮小哈勃常數範圍的機會。

但問題是，單獨對所有這些前景星系進行建模在計算上是不可能的。因此，研究人員設計了一種方法來計算多達1000個鏡片的全分布平均效果。在這種情況下，引力鏡頭的個別誤差並不那麼重要，也不必為所有鏡頭做模擬，只需要確保對整體群體進行建模。研究證明了用這種方法，當接近數千個類星體時，哈勃恆定閾值的誤差為2%。這一誤差範圍將允許在幾個哈勃常數候選之間進行有意義的比較，並有助於理解差異。如果想降到2%以下，必須通過做更好的模擬來改進模型。

博科園｜研究/來自：萊頓物理研究所

參考期刊《皇家天文學會月刊》

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  • 宇宙的邊緣在哪裡?
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  • 為什麼計算宇宙距離在宇宙膨脹研究中至關重要?
    雖然宇宙學最初僅限於太陽系，但在此次發現後，天文學家們對太陽系以外的星系產生了很大興趣。 宇宙膨脹原理在宇宙學佔有重要地位，因為它開啟了天文學家對宇宙距離的探索。 研究宇宙距離有助於確定宇宙的年齡，至少能確定可觀測宇宙的年齡。 宇宙膨脹原理的發現表明，星系彼此相隔很遠。
  • 宇宙一直在膨脹,表示外面還有空間,那麼宇宙外面到底是什麼呢?
    自大神愛因斯坦推出廣義相對論後的2017年就已經發展出了廣相宇宙學，因為很多科學家都從廣義相對論推導出了宇宙是一個動態的過程，而勒梅特則更進一步提出了原生原子假說，其實這就是宇宙的大爆炸說的前身，剛好哈勃觀測到越遠的宇宙以更快的速度離去，因此宇宙膨脹就來自於此！
  • 宇宙可能毀滅於膨脹引發的大爆炸?為什麼?
    而引力更是無處不在，宇宙中任何物體之間都存在這種力，不論它們相距有多遠。正是引力將星際物質聚集在一起，形成恆星、行星、彗星等各種天體，最終產生出遍布宇宙的星系。 引力之外的其它三種力，明顯不是阻止星系相互聚集的原因，因此，人們推斷宇宙中存在一種排斥力，它與引力會產生一種平衡，進而保持宇宙的穩定。愛因斯坦出於對穩態宇宙的追求，曾在引力場方程中加進一項宇宙常數，後來自己聲稱這是他一生中犯的最大錯誤。
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    在1919年愛丁頓通過日全食驗證廣義相對論的10年後，哈勃利用Ia型超新星的光度確定了20多個河外星系的距離後，通過光譜分析測量各星系的紅移值，他發現距離越遠的星系紅移越大，成正比例關係
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