如何使用引力透鏡測量宇宙的膨脹

2020-12-05 萬象經驗

在最近的一篇文章中我介紹了一項研究(深度解析,新研究表明暗能量可能不存在),該研究認為不需要用暗能量來解釋遙遠超新星的紅移。我還提到我們不能完全排除暗能量的存在,因為有幾個獨立的宇宙膨脹的測量不需要使用超新星。果不其然,一項新的研究測量了宇宙的膨脹,而沒有使用超新星。這項研究也證實了暗能量的存在,但也出現了幾個問題。

這項新的研究不是測量超新星的亮度,而是觀察一種稱為引力透鏡的效應。由於引力是空間和時間的曲率,一束光在經過一個大質量物體時會發生偏轉。阿瑟·愛丁頓在1919年首次觀察到這種效應,這也是廣義相對論的第一個證實。

有時這種效應會在宇宙範圍內發生。如果一顆遙遠的超新星處在星系後面,類星體的光線就會被前景星系所彎曲,從而產生了多個類星體的圖像。這種遙遠類星體的引力透鏡效應是這項新研究的重點。

那麼如何用引力透鏡測量宇宙膨脹呢?星系附近類星體的每一張透鏡圖像都是由沿星系不同路徑傳播的光產生的。有些光路長一些,有些光路短一些。所以來自類星體的光到達我們這裡需要不同的時間。類星體不產生穩定的光流,而是會隨著時間的推移微微閃爍。通過測量每個透鏡類星體圖像的閃爍,研究小組可以測量每條路徑的時間差,從而測量每條路徑的長度。

研究小組知道了每一條圖像路徑的長度,就可以計算出星系的實際大小,這與由於宇宙在膨脹,星系的圖像在向我們延伸的過程中被拉長了,所以星系看起來比實際上要大。通過比較我們看到的星系大小和透鏡狀類星體計算出的實際大小,你就知道宇宙膨脹了多少。研究小組用大量透鏡狀類星體做了這個實驗,並計算出了宇宙膨脹的速率。

宇宙膨脹通常用哈勃常數來表示。引力透鏡的最新研究結果顯示,哈勃常數為74 (km/s)/Mpc,略高於超新星的測量值。考慮到不確定性範圍,超新星和引力透鏡測量結果是一致的。所以調整超新星的結果並不能消除暗能量,看起來暗能量仍然是真實存在的。

但是這些測量結果與其他測量結果不一致,比如來自宇宙微波背景的測量結果,得出的數值大約是67 (km/s)/Mpc。現在很清楚,我們對宇宙還有一些不理解的地方。這是一個大問題,更多的數據可能最終解決這個問題,但目前更多的數據給我們更多的麻煩,而不是答案。

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    ,就是哈勃定律所揭示的宇宙膨脹現象,對於宇宙膨脹速度的研究關乎宇宙本質。如果說宇宙正在不斷膨脹,那麼它膨脹的速度到底有多快呢?天文學上用哈勃常數來表示當前宇宙膨脹速度。科學家通過宇宙距離階梯方法和宇宙微波背景輻射方法,得出的哈勃常數分別為74.03±1.42km/s/Mpc(即距離地球326萬光年的天體退行速度為每秒74千米),誤差2%和67.4±0.5km/s/Mpc,誤差0.7%。顯然,這兩種結果存在明顯的偏差,這就是哈勃常數危機。
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    大爆炸宇宙學最主要的觀測證據之一,就是哈勃定律所揭示的宇宙膨脹現象,對於宇宙膨脹速度的研究關乎宇宙本質。如果說宇宙正在不斷膨脹,那麼它膨脹的速度到底有多快呢?  天文學上用哈勃常數來表示當前宇宙膨脹速度。
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