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宇宙学标准理论有问题?新哈勃常数把科学家整困惑了

2019-08-06 点击:1279
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回到地面ID:fanpu2019

在过去的十年中,两种最准确的宇宙膨胀率测量值之间存在显着差异。宇宙学家希望有一种独立的方法来解决这个令人费解的问题,这反过来会增加混乱。

由伊利诺伊州芝加哥大学的天文学家Wendy Freedman领导的团队通过独立观察测量了哈勃常数的值。最新分析发表于,即将发表《天体物理学报》(天体物理学杂志)[1]。

弗里德曼的团队展示了一种利用红巨星来测量宇宙膨胀的技术。预计该技术将取代天文学家使用一个多世纪的方法。然而,目前,由它测量的宇宙膨胀率处于两个有争议的价值中间,并不能解决由前两个方法得到的不同结果引起的争议。

推文。

弗里德曼在接受《自然》杂志采访时表示:“我们现在正试图弄清楚这些应该如何整合。”如果无法解决宇宙膨胀率的测量差异,那么宇宙学家用来解释数据的一些基本理论,例如暗物质的性质假设,可能是错误的。 “基础物理学仍然悬而未决,”弗里德曼说。

1.宇宙的速度表

在20世纪20年代,美国天文学家埃德温哈勃和其他人发现宇宙正在扩张。它们是基于大多数星系正在远离银河系的事实。星系越远,它们就会越快撤退。速度与距离的比率大致恒定,称为哈勃常数,通常表示为H0。哈勃发现星系撤退的距离每兆秒增加500公里/秒(Mpc,大约3.26兆光年),因此使用每秒每秒公里数的差异(km /当单位为s/Mpc时) ),哈勃常数是500.

在过去的几十年中,测量方法逐渐得到改善,天文学家已经大大降低了哈勃常数的估计值。弗里德曼在20世纪90年代首次使用哈勃太空望远镜(以合适的方式)测量了哈勃常数,并计算了大约72的数字,边缘为正负10%。最近,由美国马里兰州约翰霍普金斯大学的诺贝尔奖获得者亚当里斯(Adam Riess)领导的团队测量了迄今为止74个最准确的测量值,误差仅为1.91%。 [2]

b1c3-iaqfzyv1455075.jpg使用“标准烛光”方法计算哈勃常数是建立“宇宙距离梯子”以确定宇宙中星系与我们之间的距离。涉及三个步骤:(1)在宇宙中寻找“标准烛光”(造父变星)以准确测量我们到附近星系的距离; (2)利用这些附近星系的恒星作为里程碑,测量包含Ia型超新星的更远距离星系的距离; (3)使用我们测量的星系恒星之间的距离,以及这些星系发射到地球的光谱线的红移,用于计算宇宙的膨胀率。 NASA/HUBBLESITE

但过去十年的另一项独立研究已经破坏。来自欧洲航天局普朗克太空计划的科学家绘制了大爆炸的遗留辐射模式,即所谓的宇宙微波背景(CMB),并用它来计算宇宙的基本属性。根据关于宇宙的标准理论假设,他们计算出哈勃常数值为67.8。

9036-iaqfzyv1455119.jpg ESA的普朗克太空卫星通过精确观测宇宙的早期微波背景辐射并基于早期宇宙学理论模型并测量早期宇宙应以多种速率扩展多少来预测哈勃常数。 ESA

67.8和74之间的差距似乎很小,但随着两种观察方法的改善,这产生了统计学上的显着差异。因此,理论家们开始怀疑上述差异的原因是否来自宇宙学的标准理论ΛCDM有任何问题。

亚当里斯解释说:“这不仅仅是两次不同结果的观测实验。我们正在测量完全不同的东西。哈勃太空望远镜的观测实验是测量当前宇宙的膨胀率,普朗克太空卫星观测实验是基于早期宇宙学理论模型和早期宇宙应该快速扩展的预测。两个哈勃常数值之间的差异并非巧合,因此我们很可能错过这种联系。宇宙学模型中的某些东西一个时代。“

一样,你可以一眼就解开整个谜团。”

2.寻找“标准烛光”来测量哈勃常数

现在,Freedman的测量方法更新了常用Hubble测量方法的关键元素,最终在67.8和74之间得到69.8的值。

测量哈勃常数的最大困难是可靠地测量每个星系到我们的距离。哈勃的原始估算方法是基于对附近星系距离的测量。为此,他观察了一类名为“Cathering Variable Stars”的明亮恒星。天文学家Henrietta Swan Leavitt在20世纪初发现这些恒星的实际亮度是可以预测的。因此,通过测量它们在照相板上显示的亮度,她可以计算出恒星的距离。天文学家称这个标志性的明星为“标准烛光”。

从那以后,天文学家一直试图找到一个比造父变星更好的标准蜡烛,因为造父变星往往存在于拥挤,多尘的区域,这可能导致亮度估计误差。 “唯一彻底的解决方案是开发一种独立的测量方法。到目前为止,我们从未测试过造父变星,“弗里德曼说。她的大部分职业生涯都被用来提高造父变星测量的准确性和复杂性。 “她知道一切都被埋葬了,”科尔布说。

弗里德曼和她的同事完全绕过了造父变星并选择红星将旧星号扩展为标准烛光,同时选择超新星爆炸作为更远星系的指标。

e0a4-iaqfzyv1455257.jpg这颗古老的红巨星是衡量宇宙膨胀率的新方法的焦点。 NASA/ESA/SPL

3.红巨星的计算结果

红巨星比造父变星更常见,很容易在星系的边缘找到。在这些地区,恒星被充分疏远,没有尘埃问题。红巨星的亮度变化很大,但是当我们考虑整个星系中的所有红巨星时,有一个非常有用的特征。红巨星的亮度在数百万年后逐渐增加,直到达到最亮的一刻,然后突然变暗。如果天文学家将大量恒星的颜色和亮度绘制到地图上,那么这颗红巨星将会显示为具有清晰边界的点云。该边界上的星星可用作标准烛光。

Freedman团队使用这种方法计算了18个星系与我们之间的距离。哈勃常数的首次估计达到了与基于造父变星的精度相当的精度。

2939-iaqfzyv1455371.jpg该图是由Freedman团队选择的星系,用于计算宇宙的膨胀率。他们寻找银河系中的红色巨星。中间线是第一行的扩大。底线进一步放大,黄色圆圈表示红色巨星。 NASA,ESA,W。Freedman(芝加哥大学),ESO和数字化天空调查

Riess表示,Red Giant研究仍然需要对星系中的尘埃含量做出某些假设,特别是大麦哲伦星云,它被用作本研究的基准锚点。 “评估粉尘水平是非常棘手的,”Riess说,并且必然会有很多讨论为什么作者(Freedman团队成员)的研究方法得出的哈勃常数估计值较低。

Freedman团队的研究结果在统计上与普朗克观测和Riess的造父变量计算的预测相符。也就是说,由两个实验计算的误差范围重叠。随着红巨星数据的逐渐增加,这种新方法的准确性将相应提高。 Kolb说,在不久的将来,它可能很快就会超过造父变量方法。

虽然红巨方法的测量可能会转移到其他两个测量的结果之一,或保持不变,但其他两种方法的结果会向它收敛,目前,宇宙学家仍然有很多谜团要破解。

4.差异的原因

你如何解释宇宙膨胀率的这些差异?

一种名为“早期暗能量”的理论认为,早期宇宙中出现了意想不到的暗能量,现在占宇宙容量的70%。如果这个理论是真的,它将表明宇宙的演化就像普通物质,暗物质和暗能量所扮演的最简单的戏剧。

天文学家认为在宇宙大爆炸后的最初几秒内存在暗能量并将所有物质推入太空,然后宇宙开始膨胀。暗能量也可能导致宇宙当前的膨胀速度。这个理论表明,大爆炸后不久还有另一个黑暗能量爆发,这使得宇宙膨胀比天文学家预测的更快。

另一种观点是,宇宙可能包含一个新的亚原子粒子,它以接近光速的速度移动,统称为“暗辐射”,包括以前已知的中微子,它们来自核反应和放射性衰变。

第三种可能的解释是暗物质与普通物质或辐射的相互作用比先前假设的更强。

弗里德曼说:“哈勃常数是确定宇宙绝对大小,大小和年龄的关键参数。它是我们可以量化宇宙进化方式的最直接方式之一。在以前的观察中发现的差异有并没有消失,但是这个新的证据表明有一个令人信服的理由相信当前的宇宙学模型存在一些根本性的缺陷,这仍然是未知的。“

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