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最新证据显示宇宙目前的膨胀速度比早期还要更快 哈勃常数谜团更为扑朔迷离

大麦哲伦星云(Large Magellanic Cloud)是银河系的卫星星系,在距离地球将近20万光年之外围绕着我们的银河系打转。 当银河系的重力轻轻地拉动大

大麦哲伦星云(Large Magellanic Cloud)是银河系的卫星星系,在距离地球将近20万光年之外围绕着我们的银河系打转。 当银河系的重力轻轻地拉动大麦哲伦星云里的气体云时,这些云气坍塌形成新的恒星,像是万花筒般的斑斓色彩因此照亮了大麦哲伦星云。 PHOTOGRAPH BY NASA, ESA. ACKNOWLEDGEMENT: JOSH LAKE

1997年2月,发现号航天飞机上的航天员在与轨道上的望远镜分开后,拍摄了这张哈勃太空望远镜的照片。 PHOTOGRAPH BY NASA

1997年2月,发现号航天飞机上的航天员在与轨道上的望远镜分开后,拍摄了这张哈勃太空望远镜的照片。 PHOTOGRAPH BY NASA

(36500365uux.cn报道)据美国国家地理(撰文:MICHAEL GRESHKO 编译:邱彦纶):哈勃常数(Hubble constant)是宇宙学中最重要的数字之一,但科学家最近发现的最新证据,让哈勃常数的谜团更为扑朔迷离。

最新证据显示,宇宙目前的膨胀速度比早期还要更快,这样的差异让科学家不禁好奇,宇宙中究竟有什么样的力量,可能造成这样的后果。 如果这项发现得到证实――宇宙膨胀的速度比预期还要快了9%,那我们对宇宙的基本认识可能得要重新修正了。

哈勃常数是测量宇宙年龄和膨胀速度的关键指针,但长久以来这个数字就一直充满了争议。 最近有篇刊登在《天文物理期刊》的论文,就发表了关于哈勃常数的最新研究结果。

最近几年有许多研究表示,我们根据早期宇宙的微弱余辉(也就是所谓的宇宙微波背景)所测量到的哈勃常数,与根据银河系遥远年轻恒星所估计得到的哈勃常数值有所不同,即使考虑了其他谜样的宇宙力量,例如让宇宙加速膨胀的暗能量,也是如此。

这篇论文的主要作者是约翰. 霍普金斯大学的天文学家亚当. 黎斯(Adam Riess),他曾因发现暗能量而成为2011年诺贝尔物理学奖的共同得主,他表示:「宇宙膨胀的速度超乎了我们的预期,这实在令人费解。 」

有些人认为会有这样的差异,是因为数据还不够完整,或是有些系统性的错误而导致结果偏差。 但黎斯和他的同事表示,根据哈勃太空望远镜对宇宙邻近区域的最新测量结果,这样的不一致性不但确有其事,而且比先前的差异还要更大。

在这项最新的研究中,黎斯的团队所测量到的哈勃常数是74.03±1.42公里/秒/百万秒差距,这与先前的数字并不一致。 之前科学家根据欧洲太空总署的普朗克望远镜――目前测量宇宙微波背景的最好仪器――所得到的哈勃常数最佳估计值,是67.4±0.5公里/秒/百万秒差距。 以统计学的观点来说,这两个结果之间的差异大约是4.4个标准偏差,换句话说,这样的差异是纯粹偶然的机率,只有十万分之一。

黎斯说:「用个比喻来说好了,这就好像我们测量两岁孩子的身高,然后试着估计他们长大后会长多高。 等到孩子长大后,我们又再测量他们的身高,如果结果超过预期,我们就会有些困惑,这表示我们还不太了解孩子是怎么成长的。 」

测量宇宙

科学家根据恒星的运动来计算哈勃常数,从而得知宇宙的膨胀速度。 这需要知道两种数据:恒星离我们有多远,以及它远离我们的速度有多快。

天文学家观察恒星发出光线的变化,以测量恒星与我们之间的相对速度。 此外,天文学家也会使用各种工具测量恒星与我们的距离,像是简单的几何关系,或是仔细观察一种称为「造父变星」的恒星。 造父变星的亮度会规律地变亮又变暗,亮度脉动的周期与恒星的整体亮度有密切的关系:恒星愈亮,亮度脉动的周期就愈慢。

天文学家把造父变星的这种周光关系,作为宇宙的量天尺。 我们可以测量造父变星的亮度脉动频率,推算出恒星的发光强度。 之后再将恒星的绝对亮度和我们所看到的恒星亮度相比较,就能知道恒星和我们的距离究竟有多远。 我们也可以将这种方法和某种类型的恒星爆炸观测相结合,以测量宇宙中更深、更远的距离。

多年来,天文学家一直不断尝试校准各项测量数据,努力让这种「宇宙量天尺」更为准确。 在这项研究中,黎斯的团队使用哈勃太空望远镜来观察我们银河系的不规则卫星星系――大麦哲伦星云中的70颗造父变星。 他们能利用这些新数据,更准确地估计我们与大麦哲伦星云之间的距离,这个数字能让他们反过来更精确地推论哈勃常数。

另一种测量方法

如果宇宙膨胀的速度真的比我们预期的还要更快,那么势必有某种新的物理现象提供额外的加速力量。 暗能量让宇宙加速膨胀的能力,是否比我们所想象的还要更强大呢? 还是暗物质比我们想象的还更复杂? 或是宇宙中还有一些看不见的粒子,像是只透过重力与其他物质产生交互作用的「惰性微中子」(sterile neutrino)?

如果我们对宇宙的理解确实存在着不一致性,那么我们可能会需要另一种独立估计哈勃常数的方法――而且这样的方法就在最近才获得证实。 2017年,科学家发现了重力波的时空涟漪,以及两颗相互碰撞的中子星所发出的光线。 这个历史性的观测,让天文学家得以独立得出哈勃常数的估计值。 到目前为止,这个值恰好位于普朗克望远镜和宇宙量天尺所得到的数值之间。

但是,利用重力波这类「标准汽笛」事件来测量宇宙膨胀的有效程度,取决于像是雷射干涉仪重力波观测站(LIGO)这样的重力波探测器所观测到的中子星事件数量。 到目前为止,天文学家只确认了一个事件――但在4月25日上午,LIGO可能发现了另一次中子星互撞事件。 但想要在辽阔的天空中确认重力波的来源非常具有挑战性,这使得后续的望远镜观测更加复杂。

与此同时,黎斯和世界各地的天文学家正努力让哈勃常数的测量值更为精确,因为即使是小小的差异,也有可能是解开宇宙运作谜团的重要新线索。
「如果不确定性是百分之一或百分之二的时候,即使百分之九的差异也是个大问题。 」黎斯表示:「我们有种感觉,宇宙仍然不断地教导我们它有多么奇妙。 」




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