兩次哈勃常數測量結果不一致,如何計算宇宙隨時間膨脹的速度?

2021-01-19 悟空科學

關於宇宙是如何開始的,宇宙大爆炸理論是主要解釋方式。如果用一句簡單的話來表述:宇宙是從一個小的奇點開始,而後經過138億年的時間,慢慢膨脹成我們現在看到的宇宙。對於宇宙大爆炸理論的理解,我們主要是通過數學公式和模型,然後通過宇宙微波背景看到擴張的「回聲」。但是,也有一些理論家認為有其他可能的解釋。

兩次哈勃常數測量結果不一致

根據一項新的研究結果來看,宇宙的實際擴張速度和我們之前所預期的並不一致,這同時也意味著:一些新的物理學內容,需要天文學家們納入關於宇宙運作的相關理論中。修訂之後的宇宙擴張速度,比之前大爆炸後不久所觀測到的宇宙軌跡預測速度要快10%左右。

這項研究也將這種差異是巧合的可能性降低了,從三千分之一到十萬分之一,這種錯配正在持續增長,現階段已發展到不能視為僥倖的情況。Riess是2011年的諾貝爾物理學獎獲得者,早在20世紀90年後期,就曾表示宇宙的擴張速度正在增長。雖然目前還沒弄清到底是什麼促成了這樣讓人意外的加速,即使很多天文學家由此引用了一種叫做暗能量的神秘物質。

宇宙微波背景解釋大爆炸遺物

CMB(宇宙微波背景)的輻射充滿了整個宇宙,它們可以在各個方向被探測到。CMB輻射告訴我們宇宙的年齡和構成,並提出必須回答的新問題。我們肉眼是無法看到微波的,需要通過儀器去觀察。宇宙在大爆炸之後不久形成,CMB代表著能檢測出的最早輻射,天文學家們把CMB形容成看到陽光穿透陰雲密布的天空。

在CMB輻射的全天空圖像中,北半球沒有南半球那麼紅,南半球看著更暖和一些。當眺望深空,進而深入時間。電文學家們看到了CMB輻射的飽和空間,開始於大爆炸後約378000年。宇宙在創建CMB之前,是一個熱而密集且不透明的等離子體,這裡包含了能量和物質。處在這個空間的光子也無法實現自由移動。所以,並沒有光可以從這些早期的光中逃脫出來。

如何計算宇宙隨時間膨脹的速度

想要計算出宇宙隨著時間膨脹的速度,天文學家們的計算需要涉及到三個基本步驟,然後得出一個被稱為哈勃常數的值,這些步驟的終極目是建立一個強大的「宇宙距離階梯」。測量附近星系的準確距離是首先需要進行的步驟,然後以此類推的移動到更遠的星系。

這個「階梯」可以對不同類型的天文物體進行一系列測量,因為具有固定的亮度,所以研究人員可以通過它計算得出距離值。在這項研究中,Riess和同事們通過哈勃太空望遠鏡研究了大麥哲倫星雲(銀河系衛星星系之一的LMC)中的70顆造父變星。它們會以可預測的速率變亮和變暗,從而讓天文學家們可以計算出距離。

造父變星並不適合測量宇宙距離

變星並不止一種,但對於測量哈勃常數最有用的只有一種,那就是恆星變量。這些特殊的恆星一般會在1到100天的時間範圍裡改變自己的光速,在這之中,Polaris是這一組中最特別的成員之一。天文學家們正是通過測量恆星的光速變化來測量這些恆星。

但是,造父變星並不是適合用來測量宇宙的距離,它們往往位於塵土飛揚的區域,因為從我們的角度看來非常微弱,所以在較遠的區域很難發現。後來,其他技術出現了補充造父變星測量,比如Tully-Fisher關係,就是螺旋星系的光速和其旋轉速度之間的相關性。當知道漩渦星系的旋轉速度之後,就可以判斷它的內在亮度。

額外的距離測量提高了內在亮度的理解

Araucaria項目的觀察也被Riess和他的團隊納入參考,這個項目涉及範圍較廣,包括歐洲、美國和智利的多位研究成員,除了這個項目本身以外,同時還研究了各種LMC雙星系統,也由此觀察到,當一顆恆星在鄰居面前經過時會發生變暗的現象。這個發現提供了額外的距離測量方法,為團隊對造父變星內在的亮度理解提供了很大的幫助。

為了計算出宇宙當前的膨脹率,即哈勃常數,科學家們利用了所有能用到的相關信息:每兆比約為74.03公裡(46英裡),一個百萬分之一大約等於326萬光年。對於這個數字的不確定性,研究員表示僅為1.9%。從2001年的約10%和2009年的5%下降,這也是到目前為止,通過這樣的方法計算得出的最低不確定性值。

這是不同的實驗結果和根本不同的測量

Riess表示,這並不是表面看上去那麼簡單,並不僅僅是兩個不同的實驗結果。因為,我們正在測量的本就是根本不同的東西。就像我們現在看到的這樣,一個是在衡量宇宙當前的擴張速度;而另一個則是基於早期宇宙物理學的預測基礎之上,以及它理論上應該在多大的程度上進行擴展測量。如果這些無法統一觀點,那麼就很可能在連接兩個時代的宇宙模型中遺漏一些重要的東西。

哈勃是一位專門研究距離我們遙遠星系的美國天文學家,這個常數首先便是由Edwin Hubble(哈勃太空望遠鏡的同名)提出來的。哈勃的初步計算經過這麼多年的科學進步得到了很大的改進,所用到的敏感望遠鏡也越來越多,這其中就包括蓋亞和哈勃望遠鏡,以及其他根據測量推斷出恆定值的望遠鏡。宇宙中的恆定的背景溫度(宇宙微波背景),有時候也被稱為宇宙大爆炸的「餘暉」。

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    因此宇宙膨脹暴漲期顯然比光速要快多了,而且快了幾十個數量級。現在確定宇宙膨脹速率的方法是測量哈勃常數。所謂哈勃常數就是測量距離我們Mpc距離星系離開我們的速度,Mpc是百萬秒差距的縮寫,秒差距是建立在三角視差基礎上的天文長度單位,1個秒差距(pc)約3.26光年,Mpc就是約326萬光年。上百年來,科學家們通過各種方式測量哈勃常數,取得的結果都有一定差異。
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    但是,宇宙並不總是這樣加速遠離我們。數十億年以來,宇宙膨脹的速度在放緩,這相對於一個生活在100億年前的人來說,宇宙看起來像是在縮緊。現在讓我們看看到底發生了什麼,以及我們是如何探索這一切的。根據維斯託·斯裡弗(Vesto Slipher)對這些星系的紅移和藍移的測量結果來確定這些星系是以怎麼的訴訟離開我們(紅移)或向我們(藍移)移動,其中絕大多數都是離我們而去。埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)和他的助手米爾頓·胡馬森(Milton Humason)也對這些星系進行了觀測。
  • 天文學家首次實現類星體幾何距離測量
    這種方法不依賴於任何已有的距離階梯,也不依賴於傳統工具必需的消光、紅化以及標準化等改正,而且系統誤差可進行觀測檢驗,為精確丈量宇宙幾何、研究宇宙膨脹速度和歷史開闢了一個新途徑。上世紀20年代,美國天文學家E.Hubble(哈勃)發現宇宙正在膨脹: 大多數星系正在遠離我們而去,且退行速度(紅移)和星系的距離成正比。這一比例係數如今被稱為哈勃常數,它表徵了宇宙當前的膨脹速度。觀測宇宙學的核心之一就是測量距離—紅移關係,它描述了宇宙膨脹歷史,可直接回答關於宇宙年齡、幾何、組成成分等基本問題,甚至能夠檢驗很多新物理的預言。
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