物理學家們發明超精密的新測量方法來重新測量哈勃常數

2020-12-06 生命科學解讀者

以物理學家目前所知的一切為基礎來看宇宙中有些東西不太對勁。隨著時間的推移,恆星、星系、黑洞和所有其他天體正以越來越快的速度飛離彼此。過去在我們所在的宇宙附近進行的測量發現,宇宙向外爆炸的速度比開始時要快。基於科學家對宇宙最好的描述,情況不應該是這樣的。

如果他們測量的值稱為哈勃常量這些都是正確的,這意味著目前的模型缺少了關鍵的新物理,比如不明原因的基本粒子,或者被稱為暗能量的神秘物質正在發生的奇怪現象。現在,一項新的研究發表在1月22日國外的一場皇家天文學會月報上科學家們以一種全新的方式測量了哈勃常數,證實了宇宙的膨脹速度確實比早期更快。

發生了一件有趣的事

為了解釋宇宙是如何從一個微小的、熱的、密集的靈魂等離子體變成我們今天看到的廣闊的宇宙,科學家們提出了一個被稱為Lambda冷暗物質(LCDM)的模型。模型在暗物質性質一種物質,它會產生引力,但不會發出光和暗能量,而暗能量似乎與重力相反。LCDM可以成功地再現星繫結構和宇宙微波背景-宇宙的第一束光-以及宇宙中氫和氦的數量。但它無法解釋為什麼宇宙現在比它早期膨脹得更快。這意味著,要麼LCDM模型是錯誤的,要麼是膨脹率的測量是錯誤的。

加州大學洛杉磯分校的研究員西蒙·比雷爾是這項新研究的主要作者,他告訴,這項新方法旨在最終解決擴展率的爭論。到目前為止,新的獨立測量證實了這一差異,表明可能需要新的物理學。

為了確定哈勃的常數,科學家們以前曾使用過幾種不同的方法。有些人在局部宇宙使用超新星,另一些人則依賴超新星。造父或有規律地閃爍的恆星類型。還有一些人研究了宇宙背景輻射。這項新的研究使用了一種利用類星體(由大質量黑洞驅動的極其明亮的星系)發出的光的技術,試圖打破這一聯繫。

「無論一個實驗多麼謹慎,總有一些效應是內置在他們用來進行測量的工具中的。因此,當一個組像這樣出現並且使用一組完全不同的工具時,如果得到同樣的答案,你很快就可以得出結論,答案並不是技術上某些嚴重影響的結果,諾貝爾獎得主、太空望遠鏡科學研究所和約翰·霍普金斯大學的研究員亞當·裡斯說。我認為,我們的信心正在增長,相信發生了一些非常有趣的事情。

雙視

這項技術是這樣運作的:當類星體的光經過一個中間星系時,星系的引力使光線「重力彎曲」。在撞擊地球之前。星系的作用就像一個透鏡,把類星體的光線扭曲成多個副本,最常見的是兩到四個,這取決於類星體相對於星系的排列。每一份拷貝都繞著銀河系走了一條稍微不同的路徑。

類星體通常不要像許多星星那樣穩定地發光。由於物質落入其中心黑洞,它們的亮度以小時為單位變化到數百萬年。因此,當類星體的圖像以不同的光路被放大為多個副本時,類星體亮度的任何變化都將導致副本之間微妙的閃爍,因為來自某些拷貝的光線需要更長的時間才能到達地球。

通過這一差異,科學家可以精確地確定我們離類星體和中間星系有多遠。為了計算哈勃常數,天文學家們將這一距離與物體的紅移或波長向光譜的紅端移動進行了比較。

研究光從系統,創造了四幅圖像,或副本,類星體在過去已經做過。但是,在新的論文中,Birrer和他的合作者成功地證明了從只產生類星體雙重圖像的系統中測量哈勃常數是可能的。這大大增加了可以研究的系統的數量,這最終將使哈勃常數得到更精確的測量。四次出現的類星體圖像是非常罕見的-在整個天空中可能只有50到100顆,並不是所有的圖像都足夠明亮,足以被測量,Birrer告訴LiveScience雙寬大系統的頻率約為5倍。

新的結果來自一個雙透鏡系統,再加上另外三個先前測量過的四透鏡系統,哈勃常數的值為每秒72.5公裡;這與其他的局域宇宙測量結果一致,但仍比來自遙遠宇宙(較早或更早的宇宙)的測量值高出8%左右。隨著這項新技術被應用於更多的系統,研究人員將能夠在遙遠(或早期)宇宙與局部(更近期)宇宙測量之間的確切差異中找到答案。

準確測量哈勃常數不僅能幫助科學家了解宇宙分裂的速度。在確定宇宙的時代以及遙遠星系的物理尺寸方面它也為天文學家提供了關於暗物質和暗能量數量的線索。至於解釋什麼可能是奇異的物理可能解釋它們在膨脹速率測量中的錯配,那是遠遠不夠的。相信隨著人類文明技術的發展,答案會越來越接近現實。

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