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天文学家看到宇宙中出乎意料的证据

发布时间:2018-05-14  点击数:[34]

这些哈勃太空望远镜图像展示了在一个项目中分析的19个星系中的两个,以提高宇宙膨胀率的精度,这个值被称为哈勃常数。彩色合成图像显示分别位于距地球6500万光年和1.18亿光年的NGC 3972(左)和NGC 1015(右)。每个星系中的黄色圆圈代表称为造父变星的脉动恒星的位置。学分:NASA,ESA,A. Riess(STScI / JHU)

天文学家使用美国宇航局的哈勃太空望远镜对近一个世纪以来首次计算的宇宙膨胀率进行最精确的测量。有趣的是,结果迫使天文学家认为他们可能看到宇宙中出现意外事件的证据。

这是因为最新的哈勃发现证实了一个唠叨的差异,表明现在宇宙的扩张速度要比大爆炸发生后不久的预期快。研究人员认为,可能有新的物理学来解释不一致性。

“社区正在努力理解这种差异的含义,”马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所(STScI)和约翰霍普金斯大学的首席研究员兼诺贝尔奖获得者Adam Riess说。

这个例子展示了天文学家用来测量宇宙膨胀率(哈勃常数)达到前所未有的准确度的三个步骤,将总不确定度降低到2.3%。这些测量精简并加强了宇宙距离梯子的构造,该梯子用于测量距离地球和远离地球的星系的准确距离。哈勃望远镜的最新研究将分析造父变星的数量扩展到距离我们银河系远10倍的距离。学分:NASA,ESA,A. Feild(STScI)和A. Riess(STScI / JHU)

Riess的团队包括STScI和约翰霍普金斯大学的Stefano Casertano,在过去的六年中一直在使用哈勃来精确测量到星系的距离,用星标作为里程碑标记。这些测量用于计算宇宙随着时间的推移有多快,这个数值被称为哈勃常数。该研究团队的新研究将分析的恒星数量扩大到距离哈勃望远镜以前10倍的距离。

但是里斯的价值观加强了与宇宙早期扩张的观察所得到的预期值的差距,在宇宙大爆炸之后378,000年 - 这是大约138亿年前造成宇宙的暴力事件。这些测量是由欧洲空间局的普朗克卫星进行的,该卫星绘制了宇宙微波背景,这是宇宙大爆炸的遗迹。两个值之间的差异约为9%。新的哈勃测量有助于减少数值差异巧合到1:5,000的可能性。

普朗克的结果预测,哈勃恒定值现在应该是每百万兆赫每年67千米(330万光年),并且可能不超过每兆赫每秒69千米。这意味着距离我们330万光年的距离更远,它正在以每秒67公里的速度快速移动。但是里斯的研究小组测得的值为每兆赫兹每秒73公里,表明星系正在以比早期宇宙观测所暗示的更快的速度运动。

哈勃数据非常精确,天文学家无法将两种结果之间的差距视为任何单一测量或方法中的错误。 “两个结果都经过了多种测试,所以除了一系列无关的错误之外,”Riess解释说,“越来越有可能这不是一个错误,而是宇宙的一个特征。”

解释一个令人厌恶的差异

里斯列出了一些可能的错误解释,这些解释都与黑暗笼罩的宇宙95%有关。一种可能性是已知加速宇宙的黑暗能量可能将星系推离彼此,甚至具有更大的或增长的力量。这意味着加速本身在宇宙中可能没有恒定的值,而是随着时间在宇宙中变化。里斯在1998年发现的加速宇宙中分享了诺贝尔奖。

另一个想法是,宇宙包含一个新的亚原子粒子,它的速度接近光速。这种快速粒子统称为“暗辐射”,包括以前已知的粒子,如中微子,这些粒子是在核反应和放射性衰变中产生的。与通过亚原子力相互作用的正常中微子不同,这种新粒子仅受重力影响,被称为“不育中微子”。

另一个有吸引力的可能性是暗物质(一种看不见的质子,中子和电子组成的物质)与以前假设的物质或辐射的相互作用更强烈。

任何这些情景都会改变早期宇宙的内容,导致理论模型的不一致。这些不一致会导致哈勃常数的值不正确,这是从年轻宇宙的观测推断出来的。然后这个值与哈勃望远镜的观测值不一致。

里斯和他的同事们对这个令人头痛的问题还没有任何答案,但他的团队将继续致力于微调宇宙的扩张速度。到目前为止,Riess的团队称之为状态方程的超新星H0(SH0ES),将不确定性降低到2.3%。在1990年哈勃望远镜诞生之前,哈勃常数的估计值变化了两倍。哈勃的主要目标之一就是帮助天文学家将这种不确定性的价值降低到只有10%的误差范围内。自2005年以来,该小组一直致力于将哈勃常数的准确度提高到精确度,以便更好地理解宇宙的行为。

建立一个强大的距离梯子

通过精简和加强宇宙间距梯的构建,天文学家用它来测量距离地球和远近地球的星系的准确距离,该小组已成功地完善了哈勃常数值。研究人员将这些距离与通过后退星系的光线伸展测量得到的空间扩展进行了比较。然后他们使用每个距离处星系的明显向外速度来计算哈勃常数。

但哈勃常数的值与测量精度一样精确。天文学家不能用卷尺测量星系之间的距离。相反,他们选择了特殊类别的恒星和超新星作为宇宙尺度标志或里程碑标志物来精确测量银河系距离。

对于较短距离而言,最可靠的是造父变星,脉动恒星以对应于其固有亮度的速率变亮和变暗。因此,它们的距离可以通过比较它们的固有亮度和它们从地球看到的明亮亮度来推断。

天文学家Henrietta Leavitt是第一个在1913年认识到造父变星用来测量距离的工具。但第一步是使用称为视差的基本几何工具来测量与造父变星的距离无关的造父变星的距离。视差是由于观察者观点的改变而引起的对象位置的明显改变。这种技术是由古希腊人发明的,他们用它来测量从地球到月球的距离。

最新的哈勃望远镜结果是基于我们银河系中八颗新分析造父变星的视差测量结果。这些恒星比以前研究的任何恒星都要远10倍,距离地球6000光年和12000光年,使它们测量更具挑战性。它们以更长的间隔脉动,就像哈勃望远镜观测到的含有另一个可靠标尺的遥远星系中的造父变星一样,爆炸的恒星称为Ia型超新星。这种类型的超新星闪耀着均匀的亮度,并且足够辉煌,可以从相对较远的地方看到。之前的哈勃望远镜研究了10颗快速闪烁的造父变星,位于距地球300光年到1600光年。

扫描星星

为了测量哈勃望远镜的视差,由于地球围绕太阳运动,该团队必须测量造父变星的明显微小摆动。这些抖动的大小仅为望远镜相机上单个像素的1/100,大约相当于100英里外的一粒沙子的表观大小。

因此,为了确保测量的准确性,天文学家开发了一种巧妙的方法,这在哈勃望远镜发射时是不可预见的。研究人员发明了一种扫描技术,其中望远镜每六个月测量一次恒星一千次的位置,历时四年。

该团队校准了八颗缓慢脉动恒星的真实亮度,并将它们与它们较远距离闪烁的表亲进行交叉关联,以缩小它们距离阶梯上的不准确性。研究人员随后比较了那些星系中造父变星和超新星的亮度,并且这些星系具有更好的置信度,因此他们可以更准确地测量恒星的真实亮度,从而更精确地计算到远离星系的数百颗超新星的距离。

这项研究的另一个优点是,该团队使用哈勃望远镜的相机3来校准附近的造父变星和其他星系的亮度,消除了几乎不可避免地引入的系统误差,望远镜。

“通常情况下,如果你每隔六个月尝试测量一颗恒星相对于另一颗恒星在这些距离上的位置变化,你就会受到你明确确定恒星位置的能力的限制,”Casertano解释道。使用这种新技术,哈勃慢慢摆脱恒星的目标,并将图像捕捉为一道光线。 “这种方法允许反复的机会来测量由视差引起的非常微小的位移,”Riess补充道。 “你正在测量两颗恒星之间的距离,不仅在相机上的一个地方,而且超过几千次,减少了测量误差。”

该团队的目标是通过使用来自哈勃和欧洲空间局的盖亚空间天文台的数据进一步减少不确定性,该天文台将以前所未有的精度测量恒星的位置和距离。 “这种精度是诊断这种差异的原因所需要的,”Casertano说。

该小组的结果已被“天体物理学杂志”接受发表。

论文:空间扫描哈勃太空望远镜对银河造父变星的新视差:对哈勃常数的启示

资料来源:Donna Weaver / Ray Villard,太空望远镜科学研究所

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