三種方法測出三個哈勃常數 到底哪個準?

2020-12-08 央視網

三種方法測出三個哈勃常數 到底哪個準？

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加速膨脹宇宙模型。圖片來自網絡

　　自上世紀20年代以來，美國天文學家哈德溫·哈勃的觀測讓科學家知道，宇宙在不斷膨脹。那麼，宇宙的膨脹速度有多快——也即所謂的哈勃常數有多大呢？

　　哈勃常數是宇宙參數，在各種各樣的宇宙學計算中都扮演非常重要的角色，它決定了宇宙的絕對規模、大小和年齡，是我們量化宇宙演化最直接的工具之一。此外，它也與暗物質、暗能量的屬性有關，而後兩者，是我們目前仍未揭示的宇宙幾大謎團中的兩個。

　　100多年來，科學家分別藉助對Ia型超新星和宇宙微波背景（CMB）的觀測，測出了兩個哈勃常數的值，但這兩個值並不一樣，這讓科學家們很迷惑。現在，通過對紅巨星的研究，科學家又得出了一個新的哈勃常數值，新值介於上述兩者之間，令整個事件更加撲朔迷離。

　　兩個哈勃常數不一致

　　20世紀20年代，哈勃（哈勃太空望遠鏡就是以他的名字命名）等人發現，宇宙正在膨脹——因為大多數星系離銀河系越來越遠，且距離銀河系越遠的星系，後退的速度也越快。星系遠離銀河系的速度和星系與銀河系的距離之間的比率大致恆定，這一比率被稱為哈勃常數。

　　經過研究計算，哈勃發現，一個星系與地球的距離每增加百萬秒差距（Mpc，約326萬光年），該星系遠離地球的速度就增加500公裡/秒，所以那時，哈勃測出的哈勃常數值為500公裡/秒/百萬秒差距（km/s/Mpc）。

　　幾十年來，隨著測量技術的不斷改進，天文學家大幅下調了哈勃常數的估算值。20世紀90年代，弗裡德曼率先使用哈勃太空望遠鏡來測量哈勃常數，計算出的值約為72公km/s/Mpc，誤差範圍不到10%。此後，由約翰霍普金斯大學諾貝爾獎獲得者亞當·裡斯領導的團隊測得了迄今最精確的值——74km/s/Mpc，誤差率僅為1.91%。

　　測量哈勃常數的難點在於可靠地測量星系的距離。在上述測量方法中，研究人員主要是藉助對造父變星和Ia型超新星的運動進行測算，得出了星系的距離，從而計算出了哈勃常數的數值。

　　造父變星是一類特殊的恆星，其亮度變化周期與自身光度直接相關，因而可用於測量星系等的距離。而Ia型超新星則是一類爆發的恆星，其亮度基本恆定，所以二者在天文學上均被當作「標準燭光」，用於計算遙遠星系的距離。在裡斯的研究中，他們對約2400顆造父變星和約300顆Ia型超新星的運動進行了測算。

　　除了上述方法，參與歐洲航天局普朗克任務的科學家也藉助對宇宙微波背景的觀測，計算出了新的哈勃常數值：67.8km/s/Mpc。

　　裡斯測得的74km/s/Mpc比由普朗克衛星測得的67.8km/s/Mpc高出9%。哈勃常數的倒數與宇宙的年齡直接相關——哈勃常數數值越大，宇宙的年齡就越小。如果我們接受哈勃常數為裡斯所測得的值，其比之前測得的要高出9%，那麼由它推測出的將是一個年輕約10億年的宇宙。

　　或與暗能量有關

　　據英國《科學新聞》雜誌網站7月17日報導，對此差異，裡斯提出了一些可能的解釋。一種可能是，促使宇宙加速膨脹的暗能量可能會以更大的力或者越來越大的力把星系推離，這意味著宇宙膨脹的加速度本身在宇宙中沒有恆定值，而是隨著時間變化。裡斯憑1998年發現宇宙加速膨脹與他人共享諾貝爾獎。

　　另一種可能性是，宇宙中存在一種新的亞原子粒子，其速度接近光速。這種快速粒子被統稱為「暗輻射」，包括一種名為「惰性中微子」的粒子。與受亞原子力相互作用影響的正常中微子不同，這種新粒子只受重力影響。

　　還有一種更有吸引力的解釋認為，暗物質與普通物質的作用比現在我們認為的更強烈。其中任何一種情況都會改變現有的宇宙學標準模型。該模型描述了一個包含宇宙學常數Λ和暗能量、冷暗物質（CDM）的宇宙，是目前最簡單的模型，可以很好地解釋微波背景輻射的存在及其結構、大尺度結構中星系的分布、元素豐度、宇宙加速膨脹等觀測結果。

　　目前，科學家正在尋找解決辦法，希望對宇宙學標準模型進行修改，使其能解釋哈勃常數兩個值不兼容的問題。

　　紅巨星被選作新的「標準燭光」

　　問題還未解決時，科學家的另一條測量路徑，讓整個事件更加撲朔迷離。

　　芝加哥大學天文學家溫迪·弗裡德曼領導的團隊更新了哈勃測量方法中的一個關鍵要素——使用紅巨星而非造父變星作為宇宙「標準燭光」，得到了69.8km/s/Mpc的值。

　　科學家一直試圖找到比造父變星更好的「標準燭光」，因為造父變星往往存在於擁擠且充滿灰塵的區域，這可能會使對其亮度的估計發生扭曲。為此，弗裡德曼和同事避開了造父變星，使用紅巨星作為測量更遙遠星系的「標準燭光」。

　　紅巨星比造父變星更常見，在星系周邊區域很容易發現，在這些區域，恆星彼此隔離，灰塵不是問題。紅巨星的亮度變化很大，但作為一個整體，一個星系內的紅巨星群擁有一個獨特而明顯的特徵：這些恆星的亮度會在數百萬年間增加，直到達到最大值，然後突然下降。當天文學家根據顏色和亮度繪製一大群恆星時，紅巨星看起來像一團擁有明顯邊緣的圓點，身處邊緣的恆星可以作為「標準燭光」。

　　弗裡德曼團隊使用該技術計算了18個星繫到地球的距離，並獲得了最新的哈勃常數估計值。

　　芝加哥大學的宇宙學家洛基·科爾布說，隨著有關紅巨星的數據不斷積累，技術的精確度將提高，紅巨星可能在不久的將來擊敗造父變星，成為廣受歡迎的「標準燭光」。

　　儘管如此，裡斯說，這項紅巨星研究仍然跟星系中的塵埃數量，尤其是大麥哲倫星雲中的塵埃數量有關。他說：「塵埃很難估計，這可能也是造成這兩個哈勃常數值偏低的原因。」

　　弗裡德曼在接受《自然》雜誌採訪時說：「現在，我們正試圖解釋這一切。如果宇宙膨脹速度之間的差異沒有解決，那麼，可能意味著天文學家用來解釋其數據的一些基本理論——如關於暗物質性質的假設可能是錯誤的。」（本報記者 劉霞）

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  • 新的哈勃常數給出更精確數值
    但是，對哈勃常數的測量還沒有像對光速與普朗克常數的測量能做得那麼準。而且，頗為尷尬的是，科學家居然測出了兩個哈勃常數，而且相互之間差距在10%左右。10%的不確定性對一個物理學常數來說，真的有點太大了。 要測量哈勃常數，我們需要先了解這個物理量的量綱（單位）。哈勃常數的單位是（km/s）/Mpc。
  • 哈勃常數——宇宙現狀和未來命運的指揮棒,科學家要如何測定?
    根據哈勃的發現，科學家們後來又推測出了宇宙大爆炸假說，認為宇宙來自於一場大爆炸，從而出生、演化。那麼，接下來的問題就是，宇宙到底以多快的速度膨脹呢？宇宙會一直膨脹下去，還是膨脹到一定程度就不膨脹了呢？可是，概念的提出，才僅僅是個開始。這個常數的數值到底是多少，還需要科學家們來測定。然而，這個數值的測定，難度極大。目前來說，我們有兩種方法來測定。第一種，就是根據天體的移動速度來計算。既然宇宙是膨脹的，那些天體遠離我們的速度，就代表著宇宙的膨脹速度。
  • 比起哈勃定律的名字 這個常數更讓科學家頭疼
    可表徵宇宙年齡的常數從1912年到1922年間，美國天文學家斯裡弗觀測了41個星系(當時被稱為「旋渦星雲」)的光譜，發現其中的36個星系的光譜向紅端移動，他認為這種現象意味著這些星系正在遠離地球，其中速度最大的達到了1800千米/秒。
  • 宇宙的年齡——哈勃常數測量法
    目前計算宇宙年齡是通過哈勃常數（哈勃常數的倒數就是宇宙年齡），即宇宙的膨脹速率。而哈勃常數通過好幾種方法獲得，目前經常提到的主要有三種。第一種是根據宇宙距離階梯紅移。這是最早發現宇宙膨脹的方法，通過統計一定數量的遠方星系來確定宇宙膨脹速度。
  • 新哈勃常數值挑戰現有宇宙學標準模型
    據美國趣味科學網站14日報導，一個國際天文學家團隊藉助全新方法，對哈勃常數開展了最新測量，結果73.9（km/s）/mpc（百萬秒差距），與宇宙學標準模型預測的值有較大差距，為修改宇宙學標準模型提供了佐證。
  • 哈勃常數之謎
    有了有效的數字和巨大的分母，這使得這一常數極為精確。但是準確嗎？使用不同方法的其他度量得出74.03、71.9、69.8甚至67.4。哈勃然後對星系的紅移進行了廣泛的測量，發現距離更遠的星系是，他們越紅移。如果整個宇宙都在擴展，這可以解釋。2011年，三位天體物理學家因發現不僅宇宙在擴展，而且還在加速發展，因此獲得了諾貝爾獎。
  • 不同方法測量得到的哈勃常數各異的本質因素分析
    但時至今日，用不同方法測量得到的哈勃常數值並不完全一致。這種現象的出現可能預示著哈勃定律存在根本性的錯誤：天體紅移量與距離成正比部分不是天體退行導致的都卜勒效應，而是星際物質作用的結果。本文就此提出一些分析與探討，供有興趣的朋友們參考。
  • 新哈勃常數測量,讓宇宙膨脹率又多一層迷霧!到底哪個是準確的?
    這一修正後的測量結果來自美國宇航局哈勃太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)，成為天體物理學中一個備受爭議問題的核心。這個問題可能會導致對宇宙基本性質的新解釋。近一個世紀以來，科學家們已經知道宇宙正在膨脹，這意味著宇宙中星系之間的距離每秒鐘都在變得越來越大。但是，空間究竟在以多快的速度擴張，這一被稱為哈勃常數的數值，仍然難以捉摸。
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    由俄勒岡大學天文學家領導的研究小組利用已知的距地球50個星系的距離來完善哈勃常數的計算，估計宇宙的年齡為126億年。測年的關鍵是哈勃常數，該常數以愛德溫·哈勃（Edwin Hubble）的名字命名，他於1929年首次計算了宇宙的膨脹率。另一項最新技術是利用觀測到的大爆炸留下的輻射。它繪製了時空中的顛簸和擺動（宇宙微波背景或CMB），並反映了哈勃常數所設定的早期宇宙中的情況。
  • 哈勃常數危機
    既然宇宙處在不斷膨脹的狀態，那麼宇宙的膨脹到底有多快呢？ 1929年，哈勃發現河外星系的退行速度與距離成比例(即距離越大視向速度也越大)，並給出速度-距離比，後來人們稱為哈勃定律。現在，哈勃常數(H)被用來表徵當今宇宙的膨脹率。
  • 最新研究:新方法完善了哈勃常數和宇宙年齡
    哈勃定律最近，由俄勒岡大學天文學家領導的研究小組利用已知的距地球50個星系的距離來完善哈勃常數的計算，估計宇宙的年齡為研究中的一個關鍵計算是哈勃常數，另一項最新技術使用了對大爆炸剩餘輻射的觀測，它繪製了時空中的顛簸和擺動（宇宙微波背景或CMB），並反映了哈勃常數所設定的早期宇宙中的情況。
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    在此基礎上估算宇宙年齡，於是有了宇宙年齡為138億年的著名論斷，這幾乎就是哈勃常數的倒數。（宇宙的年齡 圖源：Medium）這一巧合在宇宙歷史中只此一次。幾十億年前，宇宙年齡小於哈勃常數倒數數值；幾十億年後又會大於這一數值。所以是的，這儼然是個巧合。
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    事實上，自從哈勃常數提出90年來，天文學家一直在爭論這個常數的數值，而且理由很充分。 上個世紀20年代末，天文學家埃德溫·哈勃研究宇宙中的星系光譜時發現，除了少數鄰近星系之外，其他星系的退行速度（v）與距離（D）成正比，其比例常數後來被稱為哈勃常數（H0），這個定律就是著名的哈勃定律：v=H0·D。
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    早在上世紀20年代，埃德溫·哈勃就讓天文學家們相信，本就遙遠的天體正在遠離我們，但從那時起它們的後退速度，也就是哈勃常數，就一直是一個爭論的話題。傑解釋說，名為HoLiCOW的測量哈勃常數的團隊，曾使用一種標尺方法來確定距離，現在這個方法已經改進，不再那麼依賴於人類的假設
  • 哈勃常數爭論不休,到底是模型錯了還是科學家計算錯了?
    一直以來，科學界依靠來自六個類星體的光線的引力透鏡效應來測量宇宙膨脹的數值，但是這一切似乎變得越來越混亂，物理學上的危機已經到來。通過觀察來自遙遠明亮物體的光線彎曲的過程，研究人員增加了計算宇宙膨脹率的不同方法之間的差異。
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    早在上世紀20年代，埃德溫·哈勃就讓天文學家們相信，本就遙遠的天體正在遠離我們，但從那時起它們的後退速度，也就是哈勃常數，就一直是一個爭論的話題。傑解釋說，名為HoLiCOW的測量哈勃常數的團隊，曾使用一種標尺方法來確定距離，現在這個方法已經改進，不再那麼依賴於人類的假設。這種方法通過計算一個遙遠物體的半徑(稱為引力透鏡)，將其作為標尺；根據發表在《科學》雜誌上的論文，這個標尺可以提供到作為標準燭光的超新星的精確絕對距離。
  • 哈勃常數又出新值
    德國科學家在最新一期《科學》雜誌撰文稱，他們利用引力透鏡效應計算出了新的哈勃常數，得到的宇宙年齡為114億歲，比目前主流觀點認為的137億歲年輕20多億歲。　　科學家利用恆星的運動來測量宇宙膨脹的速度（宇宙膨脹率），以此來估算宇宙的年齡。宇宙膨脹率也被稱為哈勃常數，是宇宙學中最重要的數字之一。哈勃常數越大，宇宙膨脹得越快，意味著它更快達到現在的大小，因此越年輕。
  • 天文學界的百年爭論:哈勃常數的精確值到底是多少?
    這裡又提到了一個物理概念：哈勃常數，簡單來說，如果宇宙中天體只受到萬有引力這一種力的作用，那麼天體應該會慢慢聚攏在一起，不過在20世紀美國天文學家哈勃通過天文觀測發現：宇宙中的天體並非上理論預測中的慢慢聚攏，反而是處於不斷的加速膨脹，通俗來說，宇宙加速膨脹的速率就是哈勃常數，哈勃常數也是物理學中十分重要的常數，不過哈勃常數與數學中的