新哈勃精確的測量證實了宇宙加速膨脹,但仍然不知道為什麼會這樣

2020-12-06 博科園

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】20世紀20年代，埃德溫·哈勃提出了一個突破性的發現：宇宙處於膨脹狀態。最初的預測是愛因斯坦廣義相對論的結果，這一發現後來被稱為哈勃常數。在幾十年的時間裡，多虧了新一代望遠鏡的部署——就像被命名的哈勃太空望遠鏡(HST)，科學家們被迫修改了這項定律。

這些哈勃太空望遠鏡的圖像展示了在一個項目中分析的19個星系中的兩個，以提高宇宙膨脹率的精確度，這個值被稱為哈勃常數。彩色合成圖像顯示NGC 3972(左)和NGC 1015(右)，分別位於距離地球6500萬光年和1.18億光年。每個星系的黃圈代表了被稱為造父變星的脈動恆星的位置。圖片版權：NASA, ESA, A. Riess (STScI/JHU)

簡而言之在過去的幾十年裡，可以看到更遠的宇宙空間(以及更深入的時間)，使得天文學家能夠更精確地測量宇宙早期膨脹的速度。多虧了用哈勃望遠鏡進行的一項新研究，一個國際天文學家小組已經能夠對宇宙膨脹率進行最精確的測量。

這項研究是由超新星H0進行的，它是由一個國際天文學家小組(SH0ES)組成的，自2005年以來一直致力於改進哈勃常數的精確度。該組織由太空望遠鏡科學研究所(STScI)和約翰·霍普金斯大學的亞當·賴斯(Adam Reiss)領導，包括來自美國自然歷史博物館、尼爾斯·玻爾研究所、國家光學天文觀測站以及許多著名大學和研究機構的成員。

在宇宙年齡的單位中，哈勃在先前的深場觀測中對星系的深度的說明。圖片版權：NASA and A. Feild (STScI)

這項研究最近發表在《天體物理學雜誌》上，題目是「從哈勃太空望遠鏡的多周期庫項目：早期的膨脹率」中，「Ia型超新星距離在紅移>1.5」。為了研究，並與他們的長期目標一致，團隊尋求建立一個新的更精確的「距離階梯」。這一工具是天文學家在宇宙中傳統測量距離的方法，它包括了像造父變星這樣的距離標記，通過將它們的內在亮度與它們的表面亮度進行比較，從而推斷出它們之間的距離。然後將這些測量與距離星系的光進行比較，以確定星系之間的空間擴張的速度。

由此哈勃常數得到了推導，為了建造的遙遠的梯子，Riess和他的團隊用哈勃的寬視野相機3 (WFC3)對銀河系中8個新造的造父變星進行了視差測量。這些恆星的距離是之前研究的10倍——從地球上的6000到12000光年——以及更長的時間間隔。為了確保這些恆星的搖擺度，研究小組還開發了一種新的方法，哈勃在4年內每6個月測量一顆恆星的位置，每分鐘1000次。然後研究小組將這八顆恆星的亮度與更遙遠的仙王座星進行比較，以確保它們能夠更精確地計算出其他星系的距離。

圖中顯示了天文學家用來測量宇宙膨脹率(哈勃常數)的三個步驟，以達到前所未有的精確度，將總不確定性降低到2.3%。圖片版權：NASA/ESA/A. Feild (STScI)/and A. Riess (STScI/JHU)

利用這項新技術，哈勃望遠鏡能夠捕捉到這些恆星相對於其他恆星的位置變化，這大大簡化了事情。正如裡斯在NASA新聞發布會上解釋的那樣：這種方法允許重複的機會來測量由於視差而產生的極小的位移。你測量的是兩顆恆星之間的距離，不僅僅是在相機上的一個地方，而是在數千次，減少了測量中的誤差。

與以往的研究相比，該團隊能夠將分析的恆星數量擴大到更遠的10倍。然而研究結果也與歐洲航天局(ESA)普朗克衛星所獲得的結果相一致，後者一直在測量宇宙微波背景(CMB)——這是大爆炸產生的殘餘輻射，因為它是在2009年部署的。通過映射CMB，普朗克能夠追蹤宇宙早期宇宙的膨脹——circa。普朗克的結果預測在大爆炸之後的378000年，哈勃常數現在應該是每秒67公裡，每百萬秒(330萬光年)，也不可能高於每秒69公裡。

宇宙大爆炸的時間軸。宇宙中微子在發射時影響到宇宙微波背景，而物理學直到今天才開始關注它們的演化。圖片版權：NASA/JPL-Caltech/A. Kashlinsky (GSFC).

基於他們的sruvey，Riess的團隊每百萬秒獲得73公裡的值，相差9%。從本質上說，他們的研究結果表明，星系的運動速度比早期宇宙觀測所暗示的速度要快。由於哈勃的數據是如此精確，天文學家無法將這兩個結果之間的差距排除在任何單一測量或方法中。賴斯解釋說：解決了解這種差異的意義…結果都測試了多種方法,因此除非是一系列不相關的錯誤。越來越有可能的是，這不是一個缺陷，而是宇宙的一個特徵。

這些最新的結果表明，一些以前未知的力量或一些新的物理學可能在宇宙中發揮作用。在解釋方面，Reiss和他的團隊提供了三種可能性，所有這些都與我們無法看到的宇宙的95%有關(即暗物質和暗能量)。在2011年Reiss和另外兩位科學家因1998年的發現而獲得了諾貝爾物理學獎，這一發現表明宇宙正在加速膨脹。與此相一致，他們認為暗能量可能會隨著強度的增加而將星系分開。另一種可能性是存在一個未被發現的亞原子粒子，它與中微子相似，但它與普通物質的作用是由重力而不是亞原子力相互作用的。這些「貧瘠的中微子」將以接近光速的速度傳播，並被統稱為「暗輻射」。

這幅圖展示了宇宙的演變，從左邊的大爆炸到現代的右邊。圖片版權：NASA

任何這些可能性都意味著早期宇宙的內容是不同的，從而迫使我們重新思考宇宙模型。目前裡斯和他的同事沒有任何答案，但計劃繼續微調他們的測量。到目前為止團隊已經將哈勃常數的不確定性降低到了2.3%。

這與哈勃太空望遠鏡的中心目標一致，這是為了幫助減少哈勃常數的不確定度，因為這個常數的估計值曾經變化了2倍。因此儘管這種差異打開了新的和有挑戰性問題的大門，但它也減少了我們在測量宇宙時的不確定性。最終這將提高我們對宇宙如何演化的理解，它是在138億年前的一場激烈的災難中誕生的。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：NASA, The Astrophysical Journal

作者：Matt Williams

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：Universe Today

編譯：中子星

審校：博科園

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