新的測量方法,得出不同的哈勃常數,引發宇宙基本屬性的新解釋

2020-12-06 天文在線

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天文學家們用一種和以往完全不同的恆星，對宇宙膨脹的速度進行一次測量。這一次的測量結果來自於美國宇航局的哈勃太空望遠鏡，測量結果成了天體物理學中一個激烈爭論的問題中心，而且這個問題可能會引發對宇宙基本屬性的新解釋。

圖解:哈勃常數的值是通過比較星系的距離與遠離地球的明顯衰退率（由於空間膨脹的相對論效應）來計算的。圖片來源：nasa/esa/judy schmidt

近一個世紀以來，科學家已經知道宇宙正在膨脹，這意味著宇宙中的星系之間的距離每秒都變得越來越大。 但究竟以多大的哈勃常數值在空間擴展，仍然難以捉摸。

現在，芝加哥大學教授溫迪·弗裡德曼和他的同事對現代宇宙膨脹的速度有了一個測量評估。測量數據表明星系之間的空間正在以超出科學家預期的速度膨脹。弗裡德曼的研究是這個的幾項研究之一，這些研究指出，現代膨脹測量數據與130多億年前歐洲航天局(ESA)普朗克衛星(Planck)測量的宇宙膨脹數據之間存在很大的差異。

隨著越來越多的研究指出預測和觀測結果之間存在差異，科學家們正在考慮他們是否需要在宇宙的基礎物理中提出一個模型來解釋這種差異。

「哈勃常數是宇宙學參數，它決定了宇宙的絕對規模、大小和年齡;這是我們量化宇宙演化最直接的方法之一，」弗裡德曼說。「我們之前看到的差異並沒有消失，但這一證據表明，對於我們當前的宇宙模型中是否存在根本性的缺陷，是否存在一個直接且令人信服的理由，目前尚無定論。」

在《天體物理學》上發表的新論文中，弗裡德曼和她的團隊宣布了一種用紅巨星測量哈勃常數的新方法。他們用哈勃望遠鏡新的測量結果表明，宇宙附近的膨脹速度略低於每秒70千米/百萬秒(km/s/Mpc)。一秒相當於3.26光年的距離。

圖解:這些星系是從哈勃太空望遠鏡計劃中挑選出來的，用來測量宇宙的膨脹率，稱為哈勃常數。中間一排是哈勃望遠鏡的全視野。最下面一行放大到哈勃望遠鏡的視場。紅巨星由黃色圓圈標識。圖片來源：nasa/esa/w.freedman（芝加哥大學）/eso/數位化天空調查

這一測量值略小於哈勃SH0ES(超新星，H0，狀態方程)團隊使用造父變星報告的74 km/s /Mpc。造父變星是一種恆星，其脈衝周期與它的峰值亮度相對應。美國馬裡蘭州巴爾的摩市約翰·霍普金斯大學和太空望遠鏡科學研究所的亞當·裡斯領導的研究小組報告說，他們利用造父變星距離測量技術，將觀測結果提高到迄今為止最高的精度。

測量宇宙膨脹率的主要難題就是精確計算到遙遠星系的距離。

在2001年，弗裡德曼領導的研究小組利用遙遠的恆星對哈勃常數進行了具有裡程碑意義的測量。哈勃太空望遠鏡主要項目組用造父變星作為距離標記來測量哈勃常數。他們項目得出結果是對我們宇宙的哈勃常數值是72 km/s/Mpc。

但是，科學家們採取了一種截然不同的測量方法:建立一個基於大爆炸遺留下來的光的漣漪結構的模型，這種結構被稱為宇宙微波背景(CMB)。普朗克衛星的測量結果使科學家能夠預測早期宇宙可能是如何演變成今天天文學家能夠測量到的膨脹速率的。科學家計算出的數值為67.4 km/s /Mpc，與造父變星測得的速度74.0 km/s /Mpc存在很大差異。

天文學家一直在尋找可能導致這種差異的任何因素。弗裡德曼說:「很自然地，人們就會產生這樣的問題:這種差異是來自天文學家對我們所測量的恆星的某些方面不了解，還是我們的宇宙模型不夠完整。」「或者兩者都需要改進。」弗裡德曼的研究小組試圖用一顆完全不同的恆星，去建立一種新的、完全獨立的方式，計算哈勃常數，來檢驗他們的結果。

某些恆星會以一顆非常明亮的紅巨星的結束自己的生命。從現在開始，我們的太陽將經歷數十億年的進化階段。在某一時刻，這顆恆星經歷了一場被稱為氦閃的災難性事件，溫度上升到大約1億度，恆星的內部結構被重新排列，最後它的亮度會極大地減弱。天文學家可以通過測量這一階段不同星系中紅巨星的亮度，來確定它們的距離。

哈勃常數是目標星系的退行速度同距離的比值——退行速度是星系移動的速度。該小組的計算結果表明，哈勃常數為每秒69.8千米/百萬秒(km/s/Mpc)。，超過了普朗克衛星和裡斯小組得出的數值。

弗裡德曼說:「我們最初的想法是，如果造父變星和宇宙微波背景之間存在一個需要解決的問題，那麼紅巨星的這種方法有關鍵性作用。」

但研究人員表示，雖然測量結果與普朗克衛星的結果更接近，但這結果並不是只支持一種答案而不支持另一種。

美國宇航局計劃於21世紀20年代中期發射廣域紅外探測望遠鏡(WFIRST)，它將讓天文學家能夠更好地探索哈勃常數在跨越宇宙時間的價值。首先，它具有類似哈勃望遠鏡的解析度和100倍的天空視野，將提供豐富的新型Ia型超新星、造父變星和紅巨星的視野，從根本上改善對近處和遠處星系的距離測量。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3.spaceanswers-熵

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