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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?

作者:文/虞子期

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,那就是恆星變數。這些特殊的恆星一般會在1到100天的時間範圍里改變自己的光速,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公里(46英里),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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