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原标题:哈勃数据显示宇宙膨胀速度比预期快9,当前宇宙

浏览次数:183 时间:2019-11-08

1929年,美国的天文学家哈勃宣布了一个惊人的言论:我们的宇宙处于膨胀之中!

正如我们现在所了解到的那样,宇宙一直处于不断膨胀的状态之中,这也意味着宇宙必然有一个开端。比如,星系之间彼此分离的运动也是膨胀的表现之一,当星系之间的距离越来越遥远,她们退行的速度反而会变得更快。因此,测量宇宙的膨胀率变成了宇宙探索的重中之重,退行速度和星系距离之间的关系就是所谓的哈勃定律,而通过该定律所得出的“星系退行率”就是哈勃常数,即宇宙膨胀的速率,这个值也在科学家们的观察中不断被修正。天文科学家们没有借鉴之前的数据积累,而是选择了一种完全不同的恒星,对宇宙膨胀的速度进行了一次全新的测量。

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这个现在看起来几乎是常识的言论,在那个年代可以说是爆炸性新闻。即使是最伟大的爱因斯坦,也被这条新闻震惊。毕竟在当时,所有人都认为宇宙是稳定不变的。

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银河系直径有20万光年,这好像有点高估银河系了,目前一般认为银河系的直径在10至16万光年左右。光年是衡量宇宙空间的一种距离单位,是指光在真空中一年所走过的路程,光年当然是一个天文数字,因为光的速度是30万千米每秒。地球到太阳的距离大约是1.5亿千米,光走完这段距离大概只需要8分钟多一点的时间。人类对于银河系直径的测算,主要是通过对造父变星的观测来推断的,目前对于银河系的直径也还没有定论。造父变星是变星的一种,它的变光周期和光度呈正比,因此可用于测量星际和星系际的距离,通过对于银河系内大量造父变星观测数据的积累,来推算银河系的直径。

哈勃的发现最终被证明是正确的,我们的宇宙的确处于膨胀态。接下来,另一个问题来了:宇宙以多快的速度膨胀呢?

通过红巨星得出的宇宙扩展速率

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关于宇宙正在膨胀这个事实,科学家们已经对其知晓了大约一个世纪的时间,我们都知道了一个基本的事实,那就是宇宙中每个星系之间的距离,已经随着时间的前进而变得更加遥远。但至于空间的拉伸具体有多快,却一直是一个让人难以捉摸的哈勃常数值。在天体物理学中,宇宙膨胀的速度一直是一个具有激烈争议的核心问题,因为它的值甚至会引起宇宙基本属性的解释被更改。这一次全新的测量,则是来自NASA的哈勃太空望远镜,而参与现代宇宙膨胀率测量的研究人员是科学家弗里德曼和他的团队。通过研究人员的测量数据结果得知,现代扩张测量与基于宇宙的预测之间,存在着一些差距。

翻译: 陆寅枫

关于宇宙的膨胀,据科学观测发现,银河系以外的天体都在离我们远去,美国天文学家哈勃总结了后退的速度与距离的关系,即距离越远后退的速度也越快,这就是著名的哈勃常数。确实,银河系直径为20万光年,表示即使是光速也要穿行20万年。我们都知道,光速是目前已知的宇宙中最快的速度,一光秒≈30万千米,而一光年的距离表示约10万亿千米,代表的距离十分遥远,因此光年属于常用的计量天体距离的单位。

哈勃指出,宇宙的膨胀速度,随着距离而变化——距离我们越远的区域,膨胀的速度越快。经过缜密的计算,哈勃提出了著名的哈勃定律:Vf = Hc x D,其中Hc 是哈勃常数,D是天体和地球的距离,Vf就是这个天体远离我们的速度。

js333.com ,在现代宇宙中,星系之间的实际空间拉伸速度,会比科学家之前预期的更快一些。而弗里德曼团队在哈勃常数的测量中,选择的是一种称为红巨星的恒星。从哈勃望远镜观测到的数据来看,附近宇宙的扩展速率低于70/Mpc,该值小于之前哈勃SH0ES团队使用造父变量报告所得出的结果/Mpc)。越来越多的研究都指向了同一个结果,那就是实际观察值和预测值之间存在差异,因此,科学家们开始考虑是否需要一个新模型来解释该现象,一个为宇宙的基础物理学所提出的模型。

校译:陈艳玲 田程偲 汪荣鑫 华子乾

科学家对银河系大小的测算和结构的组成是通过造父变星总结而来的,造父变星其实是变星的一种。变星顾名思义就是指亮度与电磁辐射不稳定的、经常变化且伴随着其他物理变化的恒星,这类恒星在银河系内普遍存在。科学家正是利用这类恒星的绝对星等与它的光变周期呈有规律的线性关系,因此只要知道周期就等于知道了恒星的绝对星等,再与视星等作对比就能得出这个恒星到地球的距离。

不过,由于科技水平的限制,哈勃常数迟迟没有被科学家最终测定,只有一个近似的范围,这导致我们对于宇宙准确的膨胀速度还是没有一个完全准确的把握。

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编排:陶邦惠

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最近,科学家们经过长期的观测,有了一个惊人的发现:宇宙的膨胀速度,要比之前的预期要快了大约9%。

如何精确地衡量宇宙地扩张速率

这种变化可以转换成一个等腰三角形,地球在太阳两侧的两点间直线是这个三角形的短边,这个短边长度是固定的,就是两个天文单位,三角形的长边则是地球到该恒星的距离。这个角度的改变量非常小,测量出1角秒变化的距离是1秒差距,相当于3.26光年。随着天体距离的增加,测量得到的角度变化值就越小,而这个值的倒数就是秒差距的值。所以通常以秒差距来表示天体的距离,不过在一般的场合与大众化的媒体上,都会将秒差距转换成光年来表示距离。

这个数据其实并不是第一次出现了,之前就有科学团队计算出了这个情况。不过,当时的计算结果存在1/3000的误差。这个数字看起来很小,但是在天文学上是不容忽视的。

弗里德曼表示,之所以选取红巨星这样的方法,是为了解决造父变星和微波背景之间所存在的问题,只是测量出的值并没有支持其中任何一个答案,而是一个和普朗克接近的膨胀率结果。恒星中总有一部分会在生命终结的时候,成为一颗异常明亮的红巨星,包括我们的太阳也会在数十亿年后,经历这样的进化阶段。科学家们正是通过不同星系中恒星的红巨星阶段所表现的亮度,以得出它们的距离。哈勃常数的计算方法,简单来说就是星系的移动速度,会将目标星系的表观衰退速度和距离值进行比较。科学家们最终得出的哈勃常数为69.8/Mpc,当然,这个结果值和之前的值都有所不同。

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不过,这一次的观测结果与之吻合,而误差则仅有1/100000。诺贝尔奖获得者,美国约翰·霍普金斯大学的天体物理学家亚当·里斯表示,这个数据已经不能用巧合和误差来解释了。言外之意,这或许就是事实了。

此前,科学家们曾采用了建立宇宙微波背景的方法,计算得出膨胀率为67.4/Mpc,而造父变星所测量的值为74/Mpc。早在2001年,弗里德曼率领一支团队就实现了一次具有里程碑意义的哈勃常数测量,在以造父变星作为距离标记,并得到的值为72/Mpc。对于所有科学家而言,测量宇宙膨胀率这件事本身就充满了挑战性,尤其是要将远处物体的距离计算精确。所有人也都在寻找,是什么原因导致了这些不一致的结果。我们可以做的就是,从这些差异可能来自哪些方面着手,比如,我们对目前所测量的恒星还没有足够的了解,又或者目前的宇宙学模型本身还不够完整,甚至这两者都还需要进行改进。这便是为什么弗里德曼的团队会选择完全不同的恒星,尝试计算出独立的哈勃常数路径,以检查之前的测量结果。

现在的宇宙膨胀速度比早期宇宙快9%,为此天文学家不得不重新考虑我们对宇宙的一些基本认识。

他的观测方法, 实际上和90年前哈勃的观测方式一样,就是借助宇宙中的造父变星。

造父变星如何“校准”宇宙膨胀率

自从1998年以来,天文学家们一直面临着一个令人不解的问题:根据对早期宇宙(大爆炸发生后紧接着的那段时期)的研究,宇宙应该以一个恒定的速度膨胀着,但是当天文学家真正测量了现在宇宙后,却发现膨胀速度是增加的。

什么是造父变星呢?

通过准确测量到附近星系的距离,便可从宇宙距离尺度确定宇宙中天体的距离,然后使用它们的恒星作为里程碑标记,再到更远的星系。科学家们通过观测一颗造父变星的直径变化,然后计算它与地球之间的距离,这对更精确地测量各星系与地球的距离有很大帮助,可以进一步“校准”宇宙膨胀率。科学家们使用哈勃望远镜观测了大麦哲伦星云中70颗称为造父变星的脉动星,而后通过比较这些造父变星、更远星系中的造父变星、以及更远更亮的超新星的测量结果。星团成员造父变星明暗交替的速率与其本征光度直接相关,一旦天文学家确定了这个值,他们就可以通过测量来自这些恒星的光来计算它们到银河系的准确距离。当新的哈勃观测与大麦哲伦星云的独立距离测量技术相关联时,研究人员能够加强所谓“宇宙距离阶梯”的基础,而这种“微调”显著提高了宇宙膨胀速度的准确性。

自从一个世纪以前,科学家们就已经知道宇宙在膨胀了。埃德温·哈勃等天文学家最先注意到他们测量的遥远的星系似乎在朝着远离地球的方向运动,并且距离越远,移动地越快。

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造父变星是亮度会发生周期性变化的一类恒星,北极星就是其中之一。这类恒星会像做“深呼吸”一样不断膨胀与收缩,从而产生光变现象。科学家们通过观测发现,造父变星的光变周期与其绝对光度有关,因此从地球上观测到的亮度同它们与地球的距离相关。如果得知一颗造父变星与地球间的确切距离,便可以利用其它造父变星的视星等与绝对光度数据,然后推算出这些变星的距离,从而确定它们所在的星系与地球的距离。而星系距离正是计算宇宙膨胀率的基础。但离地球最近的造父变星也有几百光年,难以用传统的视差法直接测量其距离。于是,科学家们采用了“光学干涉测量”技术,使两台小型望远镜发挥一台大型望远镜的效果,直接观察到了“双子座泽塔”造父变星的膨胀与收缩。并利用它的尺寸变化与亮度数据,直接计算出了它与地球的确切距离。科学家在此基础上,更精确地计算了其它含有造父变星的星系与地球的距离。

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原来,在宇宙中,恒星的亮度不是全都恒定不变的,有些恒星的亮度会发生周期性的变化,这种恒星叫做变星。而变星之中,还有一种特殊的分类,叫做造父变星。

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哈勃望远镜测量了我们距大麦哲伦星系中的一些变星的距离。Credit: NASA, ESA, Riess (STScl/JHU), and Palomar Digitised Sky Surve

造父变星的最大特点,就是它们的光变周期和光度成正比。而它们的光度和呈现在我们眼中的亮度又与它们和我们的距离有关。简单理解,就是光变周期和距离有关。因此,只要我们确定某一个较近的造父变星的距离,就可以利用光变周期的关系,确定非常遥远的造父变星距离我们有多远。

近一个世纪的哈勃常数值测量

近几年来,天文学家们利用哈勃空间望远镜测量了当今宇宙的膨胀速度。他们惊讶地发现,测量结果竟比欧洲空间局的普朗克卫星测量的早期宇宙膨胀速度快了9%左右。当时,天文学家估测这结果的不一致性有三千分之一的几率是误差导致的意外。但是,在最近的一项研究中,科学家更严谨地分析了哈勃的观测数据,结果让他们更相信当今的宇宙的确正在以比过去更快的速度膨胀着,并且他们将由误差导致不一致性的几率降低到了十万分之一。很明显,某些地方一定出现了问题,天文学家现在需要弄明白这是怎么一回事。

这样的计算,是非常准确的,因此,这种方法经常被天文学家使用,造父变星因此被称为“宇宙的量天尺”。由于科学家发现的最早的变星是造父一,于是我们称之为造父变星。

1924年,银河系外的星系首次被发现,这位科学家名叫埃德温·哈勃,并通过强大的“新霍克望远镜”测量到这些星系的距离。同时,他意识到当星系的距离越远,其从我们身后褪去的速度会越快,这也是在宇宙的各个方向均匀扩张的有力证据。而哈勃常数的基础便是扩张率,人类可以通过它来了解宇宙的年龄、起源、进化,以及未来将经历的命运的线索。在已经过去的大约一个世纪的时间里,天文科学家们都没有停止对哈勃常数的精心测量。

建立宇宙距离阶梯

根据对造父变星的观察,科学家确定了宇宙的膨胀速度超过了以往的预期。

正是因为不同的哈勃常数估计,在1990年哈勃太空望远镜发射之前,科学家们将宇宙的年龄界定为100到200亿年之间。因此,让这个值更准确也是哈勃望远镜的最大的探索目标。

Cosmic Distance Ladder)

随之而来的问题是:这意味着什么呢?

宇宙每时每刻都在膨胀,就像烤箱里的面团一样,星系之间的空间正在延伸。但宇宙的扩张速度有多快?当哈勃望远镜和其他望远镜试图回答这个问题时,它们的观测和科学家之前的预测出现了明显的差异。当时间来到20世纪90年代,科学家们终于将哈勃常数值精确地提高了10%,但这仍意味着还有数十亿光年的“星系际”距离需要进一步精确。于是,弗里德曼将研究的焦点放在了附近星系中已经老化的红巨星身上,通过它们在晚期进化这个关键阶段的亮度峰值,以计算实际距离。这些不同的现代宇宙扩张速度,和科学家之前对宇宙的预测存在偏差,但它们却都表明了当前的宇宙模型很可能并不完整,甚至存在一些根本性的缺陷。

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宇宙距离阶梯通过结合造父变星和超新星的方法来精确测量宇宙中的各种距离。Credit: NASA, ESA, and A. Feild

事实上,宇宙的膨胀速度,很可能和宇宙的最终命运有着直接的关系。很多科学家认为:宇宙会在28亿-220亿年后终结自己的命运,终结的方式或许就是大坍缩,又叫大挤压——我们的宇宙从奇点中爆炸而来,最终又凝聚归为奇点,结束一切。

众所周知,哈勃常数描述了星系退行速度与星系距离间的关系。测量一个星系或是一颗恒星的退行速度的方法其实非常直接,宇宙中任何一个正在远离地球的天体所发出的光都会发生宇宙学红移。红移量越大,则天体退行的速度也就越快。不过,测量一个星系或是一颗恒星的距离就要复杂得多了。

诚然,我们是看不到那一天了。不过,我们的寿命有止境,求知的心却永无止境,这也是人类能够不断“进化”的根本动力。

使用哈勃望远镜测量宇宙膨胀速度的科学家们遵循着一个由该领域的先驱们使用的方法:他们通过观测造父变星——变光光度与脉动周期有着非常强的直接关联性的恒星——来测量距离。造父变星的这种周光关系最早由哈佛大学的天文学家亨利埃塔·斯万·勒维特(Henrietta Swan Leavitt)于一百多年前发现。

宇宙究竟会怎样演化,或许是一个永远无法解开的谜。但是,只要人类坚持探索,总有一天,会得到一个让我们满意的答案。

因为越远的恒星看上去越暗,天文学家可以先通过光变周期推算出恒星的光度,再利用测量到的视亮度来计算它的距离。埃德温·哈勃便是利用这个方法第一次计算了哈勃常数。而在今天,诺贝尔奖得主亚当·里斯(Adam Riess)等天文学家正在利用哈勃望远镜做着一模一样的计算,只是大幅地提高了精度。亚当·里斯便是上文提到的那项近期研究的首席研究员。他领导着一个名叫SH0ES(Supernovae H0 for the Equation of State,计算超新星状态方程的哈勃常数)的团队,致力于以史无前例的精度测量哈勃常数。

造父变星只是宇宙距离阶梯的第一级台阶。通过精确测量造父变星的距离我们能知道他们所在的那些星系(我们银河系的邻近星系)距我们的距离。而测量这些星系中Ia型超新星的亮度我们便能得知那些同样有着Ia型超新星但更远的星系的距离。就这样一步步地,我们能创建测量宇宙中各种尺度的方法。不过值得注意的是,在第一步测量中出现的任何误差都将传递到之后的步骤中。

宇宙距离阶梯(Cosmic Distance Ladder)

Credit: HubbleESA

重新测量

里斯和他的SH0ES团队结合哈勃望远镜的观测数据和地基望远镜的数据1],将大麦哲伦星系中的造父变星的距离测量误差从2.5%降低至1.3%。他们发现以前通过银河系附近的天体测量的哈勃常数非常准确,这令里斯的团队非常吃惊,因为这证明了与普朗克卫星的测量结果间的不一致性是确确实实存在的。

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普朗克卫星专门测量早期宇宙中的各种基本常数,绘制宇宙微波背景辐射分布图,并且计算暗能量,暗物质,和普通物质间的比率。Credits: ESA/NASA/JPL-Caltech

里斯团队的测量结果并不孤立,许多有关当今宇宙的测量都为其提供了很好的支持。但是同样地,普朗克卫星的测量结果也与其他许多有关大爆炸后几十万年内的早期宇宙的测量相一致。双方似乎都没有让步的可能。

“这不仅仅是两项实验间的不一致”,里斯在一个媒体发布会上说,“我们测量的东西可以说是从根本上不同的。我的团队测量的是当今宇宙膨胀的速度,这是一个观测结果。而普朗克卫星则是通过对早期宇宙的测量计算出膨胀速度的理论值。如果理论值与观测值不一样,那非常可能是我们连接早期宇宙与当今宇宙的模型出了问题。”

调解差异

如何使这两个测量结果相吻合的方法目前还不得而知。我们甚至不知道它们到底该不该吻合。确实,根据现在的结果来看,早期宇宙的膨胀行为非常有可能与现在并不相同。如果这是真的的话,什么因素会导致膨胀行为的改变呢?

暗能量,尽管我们对它的了解现在还不是很深,通常被认为是导致宇宙膨胀的原因,从大爆炸到今天一直如此。尽管暗能量是标准宇宙模型中的一部分,它的作用效果可能并不如我们所认为的那样,很有可能在大爆炸后的某个时期它加速了宇宙的膨胀。里斯认为,中微子这种以接近光速运动但几乎不与普通物质反应的粒子或许是关键所在。他称中微子这样的粒子为“暗辐射”。

无论怎样,里斯认为我们很有可能得接受这两个膨胀速度并不一样的事实。而天文学家现在必须努力找到一个更好的宇宙模型,一个可以解释这个不一致性的模型。

宇宙学红移与多普勒效应的区别

尽管宇宙学红移和多普勒效应十分类似,但是二者之间有本质区别。多普勒效应是物体和观测者之间的相对运动导致的,而宇宙学红移则是由于宇宙膨胀导致的,并非真实的运动。也正因如此,天文上的多普勒效应是各向异性,而宇宙学红移则是各向同性的。

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