哈勃常數的精確測量研究獲進展

 

圖1：NGC 4258的多波段數據合成圖，其中紫色對應於來自甚大陣（Very Large Array; VLA）的射電波段輻射。 

 

 

圖2. NGC 5765b的GBT單天線譜線輪廓。

 

 

圖3. 不同測量方法所給出的最新的哈勃常數測量結果。

 

自1929年埃德溫·哈勃提出星系的視向速度與到觀測者的距離之間呈現線性關係（即後來經典的哈勃定律）以來，對哈勃常數的測量始終是天文學研究中最重要的內容之一。哈勃常數，即哈勃關係中的斜率，從它的大小可以直接估算出宇宙的年齡。此外，哈勃常數的獨立精確測量，有助於更好地限定宇宙學常數。然而，源於不同測量者或測量方法之間的系統誤差，對哈勃常數的精確測量並非易事。近日，中國科學院上海天文臺科研人員參與的國際性宇宙學項目組，基於對4個水超盤脈澤系統的長期監測數據，精確測量出哈勃常數，與其它測量方法得到的結果在誤差範圍內一致。上海天文臺科研人員負責了其中1個系統的分析，該工作已發表於近期的國際天文期刊《天體物理學報》（Astrophysical Journal）。

傳統的測量哈勃常數的方法主要依賴於造父變星以及Ia型超新星。儘管相比數十年前而言，不同研究者之間所測得的哈勃常數結果差距已明顯縮小，但為了能更精確地測定哈勃常數，同時也為了檢驗不同測量方法之間的系統誤差，全新的幾何距離測量方法也在不斷地被提出，其中22 GHz水超盤脈澤系統的發現為哈勃常數的測量提供了一種全新的可能。

在該類天體中，在距離河外星系中心超大質量黑洞約1秒差距（parsec; pc，1秒差距=31萬億千米）的吸積盤區域上分布著大量可以產生22 GHz水超脈澤輻射的水分子，並且這些水分子隨著吸積盤圍繞中心超大質量黑洞進行旋轉運動。由於脈澤輻射的準直性和輻射放大性，通過甚長基線幹涉測量（Very long Baseline Interferometry, VLBI）技術，每個脈澤斑的空間位置以及視向速度都可以被精確地測量出來。

「基於對視向速度的測量以及長期監測，可以得到脈澤斑到黑洞的物理尺寸。將其與由VLBI測量得到的脈澤盤的角尺寸結合，就能得到脈澤盤到觀測者的幾何距離；再綜合退行速度，就可以推算出哈勃常數的值了。」上海天文臺的博士研究生高峰介紹說，「要知道，這種方法並不依賴任何宇宙學模型假設，因此由脈澤盤系統所得到的幾何學距離可用於對不同宇宙學模型的檢驗。」利用這種方法，NGC 4258成為了首個完成幾何距離測量的盤脈澤系統。

基於對NGC 4258幾何距離測量的成功，由前美國國家射電天文臺臺長魯國鏞等發起倡議、美國國家射電天文臺博士Jim Braatz領導的國際研究團隊於2009年開展了利用河外水超脈澤源對哈勃常數進行系統性測量的研究項目——超脈澤宇宙學項目（Megamaser Cosmology Project; MCP）。該項目計劃在北天區距離我們50-200Mpc的範圍內搜尋到10個類似NGC 4258的河外水超盤脈澤源。若對每個盤脈澤源的幾何距離可以確定到10%的精度，則10個源的結果統計疊加之後可達到3%的精度。

高峰在博士研究生期間獲得美國國家射電天文臺的Grotel Reber獎學金，在魯國鏞和Jim Braatz的指導下，積極參與了MCP，負責完成了對河外水超盤脈澤源NGC 5765b的幾何距離測量。NGC 5765b是一個光學形態分類為Sa-b的2型活動星系，其中的脈澤輻射是MCP團隊在2012年2月的巡天觀測中發現的，圖2為NGC 5765b典型的單天線脈澤譜線輪廓，其中可以明顯地看到脈澤譜線在速度分布上呈現出3簇的特徵，符合經典的水超盤脈澤的譜線輪廓特徵，最中心1簇的速度最靠近星系的退行速度，稱之為系統脈澤。

為了進一步提高觀測靈敏度，由位於美國的甚長基線陣（Very Long Baseline Array; VLBA）、位於美國西維吉尼亞州的綠堤射電望遠鏡（Green Bank Telescope; GBT）100米單天線以及位於美國新墨西哥州的VLA構成的幹涉陣共同進行了8次觀測。

與此同時，為了能得到NGC 5765b中脈澤的加速度，MCP團隊利用GBT 100米射電望遠鏡開展了對NGC 5765b為期2年，每月1次的譜線監測觀測，共收集到19個曆元的觀測數據。

高峰說：「最後結合由VLBI觀測得到的脈澤斑的空間位置分布信息以及由譜線監測觀測得到的脈澤斑的加速度信息，我們對NGC 5765b中的脈澤盤進行三維擬合，得到脈澤盤的幾何距離。由NGC 5765b給出的哈勃常數為H0 = 66.0 ± 6.0 km s^-1Mpc^-1。」

結合NGC 5765b的幾何距離測量結果，MCP團隊現已發表了對4個河外水超盤脈澤源的幾何距離測量，並且由該4個星系共同限定的哈勃常數為H0 = 67.6 ± 4.0 km s^-1Mpc^-1 （即誤差5.9%）。

將由不同測量方法所給出的最新的哈勃常數測量結果與MCP結果進行比較，從圖3可以明顯地看出，由傳統的造父變星、Ia型超新星所得的結果與CMB數據在ΛCDM宇宙學模型下給出的哈勃常數並不一致，而目前的MCP結果與上述結果在1-sigma誤差範圍內都是一致的。高峰表示：「為了更好地檢驗不同的測量之間是否相互一致，我們急需對更多的脈澤源進行幾何距離測量，從而來進一步增加MCP測量結果的精度。為此，MCP項目團隊目前正在對4個新的河外水超脈澤源進行幾何距離測量，並期望在未來1-2年內對哈勃常數的限定精度提高到4%以內。」（來源：中科院上海天文臺）

 

 

 

特別聲明：本文轉載僅僅是出於傳播信息的需要，並不意味著代表本網站觀點或證實其內容的真實性；如其他媒體、網站或個人從本網站轉載使用，須保留本網站註明的「來源」，並自負版權等法律責任；作者如果不希望被轉載或者聯繫轉載稿費等事宜，請與我們接洽。