宇宙學面臨危機了：新數據表明宇宙膨脹速度，超出了理論預測

2020-09-24 科學之美

由加州大學戴維斯分校領導的一組天文學家獲得了新數據，表明宇宙正在以比預期更快的速度膨脹。這項研究是在一場關於宇宙膨脹速度的激烈辯論之後進行；到目前為止，測量結果仍然不一致。該小組對哈勃常數（宇宙膨脹率）的新測量涉及一種不同方法，天文學家使用NASA哈勃空間望遠鏡(HST)和W.M.Keck天文臺的自適應光學(AO)系統相結合來觀察三個引力透鏡系統，這是第一次使用地基AO技術獲得哈勃常數。

研究的合著者、加州大學戴維斯分校物理學教授克裡斯·法斯納赫特(Chris Fassnacht)說：當我20多年前第一次開始研究這個問題時，可用儀器限制了可以從觀察中獲得有用數據的數量。在這個項目中，我們第一次在全面分析中使用了Keck天文臺的AO，多年來，我一直覺得AO觀測可以為這一努力做出很大貢獻，其研究結果發表在最新一期的《皇家天文學會月刊》上。

為了排除任何偏見，該團隊進行了盲目分析；在研究過程中，研究人員甚至對自己隱瞞了最終答案。直到研究人員確信已經解決了儘可能多的可能誤差源。這阻止了研究人員進行任何調整以獲得「正確」的值，避免了確認偏差和偏見。加州大學戴維斯分校物理系的主要作者Geoff Chen說：

當我們認為已經處理了所有可能的分析問題時，通過必須公布我們的發現的，即使答案是瘋狂的，這總是一個緊張而令人興奮的時刻。解盲揭示了一個與哈勃常數測量值一致的值，這些測量值來自於對接近太陽系天體的觀測，例如附近的Ia型超新星或引力透鏡系統；研究團隊在分析中使用了後者的天體。該研究團隊的結果進一步證明了宇宙學標準模型存在問題，該模型顯示宇宙在其歷史早期擴張非常快，然後由於暗物質的引力膨脹速度減慢，而現在由於暗能量膨脹又開始加速。

這個宇宙膨脹歷史的模型是用傳統哈勃常數測量組合而成，這些常數是從138億年前宇宙開始時宇宙微波背景輻射(CMB)（宇宙開始時的剩餘輻射）的「遠距離」觀測中獲得。許多小組開始使用不同技術和研究宇宙的不同部分來獲得哈勃常數，並發現從近太陽系和遙遠天體觀察中獲得的值不一致。加州大學戴維斯分校物理學教授克裡斯·法斯納赫特(Chris Fassnacht)表示：

這就是宇宙學的危機

這就是宇宙學的危機，雖然哈勃常數在給定的時間內在空間任何地方都是恆定，但它在時間上並不是恆定。因此，當比較來自各種技術的哈勃常數時，是在比較早期宇宙(使用遙遠的觀測)和宇宙的晚期，更現代的部分。這表明，要麼是宇宙微波背景輻射的測量存在問題，而研究小組認為這是不可能的，要麼是宇宙學標準模型需要以某種方式使用新的物理學來糾正差異，使用Keck天文臺的AO系統和Keck II望遠鏡上第二代(NIRC2)儀器。

研究團隊獲得了三個著名透鏡類星體系統的本地測量結果：PG1115+080，HE0435-1223和RXJ1131-1231。類星體是非常明亮活躍的星系通過巨大的噴流產生，由超大質量黑洞提供動力，貪婪地吞噬其周圍的物質。雖然類星體通常非常遙遠，但天文學家能夠通過引力透鏡探測到它們，這是一種充當自然界放大鏡的現象。當一個離地球較近的、足夠大的星系擋住了來自非常遠類星體的光時，該星系就可以充當透鏡。其引力場將空間本身扭曲，將背景類星體的光彎曲成多個圖像，使其看起來格外明亮。

有時，類星體的亮度會閃爍，而且由於每個圖像對應於從類星體到望遠鏡的略微不同路徑長度，所以每個圖像的閃爍出現的時間略有不同，所以並不都是同時到達地球。使用HE0435-1223、PG1115+080和RXJ1131-1231，研究小組仔細測量了這些時間延遲，這些延遲與哈勃常數的值成反比。這使得天文學家能夠解碼來自這些遙遠的類星體的光，並收集關於在光到達地球過程中宇宙膨脹了多少的信息。使用引力透鏡測量哈勃常數最重要的組成部分之一是靈敏和高解析度成像，到目前為止，最好的，基於鏡頭的哈勃常數測量都涉及到使用HST數據。

當研究人員打開這個盲區時，發現了兩樣東西。首先與以前基於HST數據的測量值保持一致，證明AO數據可以在未來提供一個強大替代HST數據的方法。其次發現結合AO和HST數據可以得到更精確的結果。該研究團隊以及地球上許多其他團體，正在進行更多的研究和觀察，以進一步研究。現在該研究團隊已經證明Keck天文臺的AO系統和HST一樣強大。現在可以用更多的透鏡類星體系統來嘗試這種方法，以提高測量哈勃常數的精度，也許這將使天文學家們得到一個更完整的宇宙學模型。

博科園｜研究/來自：WM凱克天文臺

參考期刊《皇家天文學會月刊》

DOI: 10.1093/mnras/stz2547

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