改進哈勃標準為宇宙中的新物理學提供了新證據

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】天文學家們利用美國宇航局的哈勃太空望遠鏡，對宇宙膨脹率進行了最精確的測量，這是近一個世紀前首次計算出來的。有趣的是這些結果迫使天文學家們考慮到可能正在看到宇宙中一些意想不到的事情的證據。這是因為哈勃最近的發現證實了一個令人不安的矛盾，即宇宙膨脹速度比宇宙大爆炸後不久的軌跡要快。研究人員表示，可能有新的物理學來解釋這種不一致性。美國太空望遠鏡科學研究所(STScI)的首席研究員、諾貝爾獎得主亞當·里斯(Adam Riess)和約翰·霍普金斯大學(Johns Hopkins University)的亞當·里斯(Adam Riess)說：努力理解這種差異的意義。

這幅圖展示了天文學家用來測量宇宙膨脹率(哈勃常數)的3個步驟，以達到前所未有的精確度，將總不確定性降低到2.3%。這些測量方法簡化並加強了宇宙距離階梯的建造，它被用來測量離地球近距離遠的星系的精確距離。最新的哈勃研究擴展了造父變星的數量，分析了我們的星系的距離，比之前的哈勃望遠鏡觀測到的距離要遠10倍。圖片版權：美國國家航空航天局(NASA)、歐洲航天局(ESA)、美國科學技術研究所(STScI)和A. Riess (STScI/JHU)

Riess的團隊，包括STScI和Johns Hopkins的Stefano Casertano，在過去的6年里一直在使用哈勃望遠鏡來精確測量到星系的距離，用他們的恆星作為里程碑的標記。這些測量值用來計算宇宙隨時間膨脹的速度，這個值被稱為哈勃常數。該研究小組的新研究擴展了被分析的恆星的數量，比之前的哈勃望遠鏡觀測到的距離更遠10倍。但是里斯的價值強化了與早期宇宙膨脹的觀測所產生的期望值的差距，在大爆炸之後的378000年——這是大約138億年前創造宇宙的暴力事件。這些測量是由歐洲航天局的普朗克衛星進行的，它繪製了宇宙微波背景，這是宇宙大爆炸的遺迹。這兩個值之間的差異大約是9%。哈勃望遠鏡的新測量結果有助於減少這一數值上的差異是巧合的概率為1 / 5000。

普朗克的結果預測，哈勃常數現在應該是每秒67公里，每百萬秒(330萬光年)，也不可能高於每秒69公里。這意味著，距離銀河系每330萬光年遠的地方，它的移動速度是每秒67公里。但是里斯的團隊測量了每百萬秒每秒73千米的數值，這表明星系的運動速度比早期宇宙觀測的速度要快。哈勃的數據是如此精確，以至於天文學家無法將這兩個結果之間的差距斥為任何單一測量或方法中的誤差。「這兩個結果都經過了多種測試，所以排除了一系列不相關的錯誤，越來越有可能這不是一個缺陷，而是宇宙的一個特徵。

解釋一個棘手的差異

里斯概述了對這種不匹配的幾種可能的解釋，都與籠罩在黑暗中的95%的宇宙有關。一種可能性是，已經被認為正在加速宇宙的暗能量，可能會以更大或更強的力量將星系推離彼此。這意味著加速度本身可能在宇宙中沒有恆定的值，而是隨著時間的變化而改變。里斯分享了1998年發現加速宇宙的諾貝爾獎。另一個想法是，宇宙中有一個新的亞原子粒子，它的速度接近光速。這種快速的粒子被統稱為「暗輻射」，包括在核反應和放射性衰變中產生的已知粒子，如中微子。不像正常的中微子，它是由亞原子力相互作用的，這種新粒子只會受到引力的影響，被稱為「惰性中微子」。

另一種有吸引力的可能性是暗物質(一種由質子、中子和電子組成的不可見物質)與正常物質或輻射的相互作用比先前假設的更強。任何這些情況都會改變早期宇宙的內容，導致理論模型的不一致。這些不一致會導致哈勃常數的不正確值，從年輕宇宙的觀察推斷出來。這個數值與哈勃觀測得出的數字是不一致的。里斯和他的同事們對這個棘手的問題還沒有任何答案，但是他的團隊將繼續致力於微調宇宙膨脹率。到目前為止，Riess的團隊，被稱為H0的狀態方程(SH0ES)，已經將不確定性降低到2.3%。在哈勃望遠鏡於1990年發射之前，對哈勃常數的估計變化了兩倍。哈勃的一個重要目標是幫助天文學家將這種不確定性的價值降低到只有10%的誤差範圍內。自2005年以來，該組織一直致力於將哈勃常數的精確度提高到能夠更好地理解宇宙行為的精確度。

建造堅固的距離梯

該團隊通過簡化和加強宇宙距離階梯的建造，成功地改善了哈勃常數的價值，天文學家用來測量離地球近和遠的星系的精確距離。研究人員將這些距離與空間膨脹的距離進行了比較，這是通過從後退的星系發出的光來測量的。然後每一距離上使用星系的表面速度來計算哈勃常數。但是哈勃常數的值和測量的精確度一樣精確。天文學家不能用捲尺來測量星系之間的距離。相反選擇了一些特殊的恆星和超新星，作為宇宙尺度或里程碑，以精確測量銀河系的距離。在較短的距離中最可靠的是造父變星，它會使亮度變亮的恆星變亮，使它們的亮度變暗。因此距離可以通過比較它們的內在亮度和從地球上看到的亮度來推斷。

這些哈勃太空望遠鏡的圖片展示了19個星系中的2個，以提高宇宙膨脹率的精確度，這一數值被稱為哈勃常數。彩色合成圖像顯示NGC 3972(左)和NGC 1015(右)，分別位於距離地球6500萬光年和1.18億光年。每個星系的黃圈代表了被稱為造父變星的脈動恆星的位置。圖片版權：NASA, ESA, A. Riess (STScI/JHU)

在1913年，天文學家Henrietta Leavitt第一次認識到造父變星的效用。但是第一步是用一種叫做視差的幾何工具來測量到仙王座的距離。視差是物體位置的明顯偏移，因為觀察者的視角發生了變化。這項技術是古希臘人發明的，用來測量從地球到月球的距離。哈勃的最新成果是基於對我們銀河系中8個新造的仙王座的視差的測量。這些恆星距離地球的距離是之前研究的10倍，距離地球6000光年到12000光年，這使得它們更具挑戰性。它們會以更長的時間間隔跳動，就像哈勃在遙遠的星系中觀察到的造父變星一樣，包含另一個可靠的尺度，爆炸的恆星叫做Ia型超新星。這種類型的超新星耀斑具有均勻的亮度，而且亮度足夠高，可以從較遠的地方看到。之前的哈勃觀測研究了10個快速眨眼的造星器，距離地球300光年到1600光年。

掃描恆星

為了測量與哈勃望遠鏡的視差，研究小組不得不測量出由於地球繞太陽運動而產生的「仙王座」的微小擺動。這些抖動的大小僅為望遠鏡相機上一個像素的1/100，這大概是100英里以外的一粒沙子的表觀大小。因此為了確保測量的準確性，天文學家們發明了一種聰明的方法，在哈勃發射時沒有預想到。研究人員發明了一種掃描技術，在這種掃描技術中，望遠鏡每6個月測量一顆恆星的位置，每6個月測量一次，持續4年。研究小組校準了八顆緩慢跳動的恆星的真實亮度，並將它們與更遙遠的眨眼睛的表兄弟相互關聯，以加強他們距離階梯上的不準確。研究人員隨後比較了這些星系中造星和超新星的亮度，這樣他們就能更準確地測量恆星的真實亮度，從而更精確地計算出遙遠星系中數百個超新星的距離。

這項研究的另一個優勢是，研究小組使用了同樣的儀器，哈勃的寬視場相機3，來校準附近的造星系統和其他星系的發光密度，從而消除了通過比較不同望遠鏡的測量結果而無法避免的系統誤差。通常情況下如果每6個月試著測量一顆恆星相對於另一顆恆星的位置變化就會受到限制，因為能精確計算出恆星的位置。利用這項新技術，哈勃緩慢地穿過一個恆星目標，並將圖像捕獲為一束光。「這種方法允許重複的機會來測量由於視差而產生的極小的位移。測量的是兩顆恆星之間的距離，不僅僅是在相機上的一個地方，而是在數千次以上，減少了測量中的誤差。該團隊的目標是利用哈勃和歐洲航天局的蓋亞太空觀測站的數據進一步減少不確定性，該觀測站將以前所未有的精度測量恆星的位置和距離。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

作者：Donna Weaver

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：NASA"s Goddard Space Flight Center

編譯：中子星

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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