暗物質和宇宙爆炸特性方面,哈勃望遠鏡為兩個宇宙難題提供新思路

2021-01-07 山川異域合作共贏

哈勃太空望遠鏡拍攝了產生兩個驚人宇宙結果的宇宙幻影。一種限制了暗物質的性質,另一種進一步加深了有關宇宙當前擴展速度的爭議。

令人難以置信的是,經過近30年的運行,哈勃望遠鏡能夠提供基本物理學和宇宙本質的前沿視圖,而我們甚至在夢寐以求的情況下都不會想到望遠鏡的誕生。

哈勃空間望遠鏡(英語:Hubble Space Telescope,縮寫:HST)是以美國天文學家埃德溫·哈勃為名,於1990年4月24日成功發射,位與地球的大氣層之上的光學望遠鏡。

哈勃望遠鏡的兩項突破源於對引力透鏡的細緻觀察-一種引力使光線彎曲時產生的宇宙海市蜃樓。在這些情況下,背景光來自類星體,類星體是一個包含超大質量黑洞的星系的發光核心。廣義相對論解釋了一個巨大的前景星系(如果恰好對齊)如何將來自此類類星體的光分解為四個單獨的圖像。此外,重力透鏡可以增強這些圖像的表觀亮度。然後,天文學家可以研究海市rage樓(有時稱為愛因斯坦十字架),以測量宇宙的基本特性。

星際暗物質很小

科學家一項研究中,哈勃研究了八顆類星體,它們的光已經傳播了大約100億年。

基於透鏡的幾何形狀,天文學家可以計算出這四個圖像的預期相對亮度。但是這種計算假設質量在整個透鏡光環中平滑分布。實際上,透鏡星系光暈中暗物質團塊的光彎曲效應將改變這些期望值。

透鏡狀星系是在哈勃星系分類中介於橢圓星系和漩渦星系之間的星系。透鏡星系是圓盤星系 (像螺旋星系),已經用盡或丟失了大部分的星際物質,並且只有少量的恆星形成在進行中。

這些暗物質團塊的數量和尺寸極大地影響了類星體圖像的相對亮度。 將這種效果與放大鏡表面的裂紋和瑕疵進行了比較,這會改變透過玻璃觀察到的圖像的亮度。哈勃望遠鏡的數據表明,暗物質團塊相對較小,僅佔銀河系總質量的百分之一或者十分之一。

結果排除了溫暖的暗物質的存在,暗物質由快速移動的粒子組成。一些宇宙學家認為,暗物質可能是快速移動的,因為暗物質尋找更緩慢移動的粒子已變成空的。但是,快速移動的粒子很難聚集在小的,低質量的濃度下。

哈勃觀測資料是迄今有關低速暗物質的最有力證據。

宇宙爆炸論

「大爆炸宇宙論」(The Big Bang Theory)是現代宇宙學中最有影響的一種學說。它的主要觀點是認為宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個時期裡,宇宙體系在不斷地膨脹,使物質密度從密到稀地演化,如同一次規模巨大的爆炸。

類星體的真實亮度變化(很可能是由中央黑洞活動的變化引起的)在四個圖像的不同時間顯示。這是因為要生成每個圖像,類星體的光會沿著不同的路逕到達觀察者,並且每個路徑的長度都略有不同。較長路徑的時間延遲與前景星系中質量分布方式的地圖結合在一起,產生了引力透鏡的獨特三維圖像。結果,天文學家可以測量到類星體和透鏡星系的精確距離。此外,這些值完全獨立於其他距離度量。

距離對於測量宇宙當前的膨脹率至關重要。天文學家通常通過其紅移來估計星系的距離,該距離會測量光在穿過擴展空間時的波長如何擴展。但是,要了解空間擴展的速度,天文學家需要一種與紅移無關的距離度量,這就是透鏡類星體提供的。

使用新的哈勃數據獲得了重力透鏡研究迄今獲得的最精確的當前膨脹率值:每秒73公裡/兆帕秒,不確定性為2.4%。

這一價值堅定地站在有關宇宙目前發展速度的持續辯論的一方面。根據相對鄰近的宇宙中的物體進行的估算顯示,當前的擴展速度(稱為哈勃常數)為74km/s/Mpc。但是,暗能量冷暗物質理論成功地模擬了宇宙的組成和演化,再加上對大爆炸後不久發出的宇宙微波背景的精確測量,使哈勃常數達到67km/s/Mpc。

普朗克衛星的測量結果得出新的哈勃常數值為67.80±0.77(km/s)/Mpc(Mpc表示百萬秒差距,大約為300萬光年),即在每增加300萬光年的距離上(或每過300萬年),星系遠離地球的速度增大67.80±0.77千米每秒。

把引力透鏡研究的結果摺疊起來,這種張力是如此強烈,以至於「危機」一詞是完全合理的。

未解之謎

哈勃望遠鏡的結果為兩個宇宙學難題提供了新的思路,但它們尚未提供最終解決方案。

是的,我們現在可以得出結論,暗物質一定是低速的,但是看不見的東西的真實本質仍然是個謎。同樣,儘管我們現在有強有力的證據證明宇宙當前膨脹率的觀測值與預測值之間存在差異,但仍不清楚如何解決這個難題。

對其他引力透鏡類星體的研究將大大增加對這些宇宙學難題的更好地理解。正在進行的調查中,許多透鏡類星體正在出現,並且大型天氣觀測望遠鏡有望發現更多的類星體。同時,哈勃的繼任者詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將提供透鏡類星體的更精確測量,從而進一步降低結果的不確定性。

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