有关哈勃常数的新证据

2018-05-22 02:02张慧杰
飞碟探索 2018年3期
关键词:哈勃里斯星系

张慧杰

天文学家使用美国航空航天局的哈勃空间望远镜对宇宙膨胀率(即宇宙的膨胀速度。理论物理学家阿尔伯特·爱因斯坦于1915年创立广义相对论的时候就认识到,他的学说将会得出一个震撼人心的预言——宇宙在膨胀。当时,大多数天文学家都认为宇宙一直是那样的,它不会随时间改变)做了最精确的测量,与首次计算间隔近一个世纪。有趣的是,这次的测量结果迫使天文学家相信,宇宙中可能有令人意想不到的事情在发生作用。

这是因为“哈勃”最近的发现证实了一种令人不安的差异:宇宙现在的膨胀速度比根据大爆炸发生不久之后其轨道数据估算的要快。研究人员认为,会有新的物理学假设解释这种差异。

美国马里兰州巴尔的摩市空间望远镜科学研究所和约翰·霍普金斯大学首席研究员、诺贝尔奖得主亚当·里斯说,“天文学界正在努力理解该差异的含义”。

里斯的同事斯特凡诺·卡塞尔塔诺毕业于约翰·霍普金斯大学,也是空间望远镜科学研究所的一名成员。在过去的6年里,他一直以恒星作为里程标志,致力用哈勃空间望远镜来精确测量星系间的距离。这些测量用于计算宇宙随时间的膨胀速度,该数值被称为哈勃常数。相较于之前哈勃空间望远镜的观测结果,该团队的最新研究将分析的整个恒星数量增加到原来的10倍之多。

然而,里斯所测数值巩固了宇宙大爆炸37.8万年后早期宇宙膨胀得出的预期值的差异。宇宙大爆炸大约发生于138亿年前,这次爆炸形成了我们现在的宇宙。这些数据是欧洲空间局普朗克卫星的测量结果,用这些结果绘制成了宇宙微波背景图,即宇宙大爆炸残留物。这两个值相差约9%。“哈勃”新的测量结果能将数值差异的概率降低至大约1/5000。

据普朗克卫星的观测结果,哈勃常数应当是67(千米/秒)/百万秒差距(330万光年),不高于69(千米/秒)/百万秒差距。这意味着距离我们330万光年的星系,其飞高速度每秒要快67千米。但里斯团队所测的数值为73(千米/秒)/百万秒差距,这表明星系的移动速度比早期宇宙观测暗示的速度更快。

“哈勃”所测数据非常精确,所以天文学家无法忽视这两种结果之间的差异,也不能认为其中一次测量的方法有误。里斯解释说:“两种结果都经过了多方面的验证,所以排除了一系列没有关联的错误。这越来越有可能说明这一现象不是一个错误,而是宇宙的一个特性。”

解释一个令人苦恼的差异

对此差异,里斯提出了一些可能的解释,这些解释都与处于黑暗中的95%的宇宙有关。一种可能是,暗能量(已知它是增加宇宙膨胀速度的能量形式)可能会用更大的力或者越来越大的力把星系推离。这意味着加速度本身在宇宙中没有恒定值,而是随着时间变化。里斯凭1998年发现的宇宙加速膨胀与他人共享诺贝尔奖。

另一个可能是,宇宙中存在一种新的亚原子粒子,它的运行速度接近光速。这种快速粒子被统称为“暗辐射”,包括先前已知的粒子,如中微子,它们是在核聚变和放射性衰变中产生的粒子。与受亚原子力相互作用影响的正常中微子不同,这种新粒子只受重力影响,被称为“惰性中微子”。

还有一个更有吸引力的解释,认为相较之前的假设而言,暗物质与普通物质或辐射的作用更强烈。

其中任何一种情况都会改变有关早期宇宙的理论,导致理论模型不一致,并导致从早期宇宙观测推断出的哈勃常数出现误差。

对于这个令人苦恼的问题,里斯及其同事还没有任何答案,但是他的团队将继续致力精确哈勃常数,以便更好地探索宇宙。截至目前,里斯团队已将不确定性降低至2.3%。

构建宇宙距离尺度

天文学家用宇宙距离尺度來测量地球与各星系的精确距离。该团队通过精简和强化宇宙距离尺度阶梯的构建,成功地完善了哈勃常数。研究人员利用退行星系的延伸光线来测量宇宙扩张,并将此与地球和星系的精确距离进行对比。之后,他们使用了每段距离上星系的表面速度来计算哈勃常数。

但是天文学家不能使用卷尺来测量星系间的距离。所以,他们选择特殊类别的恒星和超新星作为宇宙标准或里程标志,来精确测量银河系距离。

对较短距离测量而言,最准确的是造父变星、脉动星,它们按其固有亮度的速率变亮和变暗。因此,可以通过对比其固有亮度和从地球上看到的亮度来推断它们的距离。

亨丽爱塔·勒维特是首位发现造父变星能测量距离的天文学家。1913年,勒维特发现使用视差这一基本几何工具,在不受亮度影响的条件下可以测量造父变星的距离。视差是观测者改变观测角度造成的明显的位置移动。该技术是古希腊人的发明,用来测量从地球到月球的距离。

哈勃空间望远镜的最新观测结果以我们对银河系中8颗新研究的造父变星的测量视差为基础。这些恒星比以往研究中的任何恒星都要远10倍左右,距地球6000光年至12000光年,这使得对它们的测量更具挑战性。

扫描恒星

由于地球围绕太阳运行,为了测量哈勃空间望远镜的视差,该团队必须测量造父变星的轻微摇摆。这些摇摆仅为望远镜单个像素的1%,大约相当于161千米外一粒沙子的大小。

因此,为了确保测量的准确性,天文学家研究出了一种巧妙的办法,即让望远镜持续4年、每6个月测量一次恒星的位置,测量频率为每分钟1000次。

该团队校准了8颗缓慢的脉动星的亮度,将它们与其他较远距离的恒星关联,来提高距离尺度的准确性。然后,研究人员比较了这些星系中的造父变星和超新星的亮度,以便更准确地测量恒星的真实亮度,从而更精确地计算距离较远的数百颗超新星的距离。

该研究还有另一个优点:团队使用哈勃空间望远镜第三代广域照相机来校准附近造父变星和其他星系中造父变星的亮度,从而消除了系统误差。

卡塞尔塔诺说:“通常情况下,如果你每隔6个月测量一颗恒星相对于另一颗恒星的距离变化,那么你会受制于自身能力,无法测量恒星的精确位置。”“使用这个新技术,可以多次测量由于视差产生的极小位移。”里斯补充说,“这时你正在测量两颗恒星之间的距离,不仅是在相机上的某个位置进行,而是经过上千次的努力来降低测量错误。”

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数据,来进一步降低不确定性,以前所未有的精确度测量恒星的位置和距离。卡塞尔塔诺说:“该精准度是找出差异原因的关键。”

这些是哈勃空间望远镜拍摄的图像,选定了19个星系中的2个进行研究,来提高宇宙膨胀率的准确度。该值被称为哈勃常数。该彩色合成图像分别显示了距地球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名为造父变星的脉动恒星的位置。

插图演示了天文学家精准测量宇宙膨胀率(哈勃常数)的三个步骤,可将不确定度降低到2.3%。这些测量简化或强化了宇宙距离尺度的结构,可以用来准确测量地球到各星系的距离。相较于之前哈勃空间望远镜的观测结果,最新研究将其分析的整个星球中造父变星的数量增加到原来的10倍。造父变星是一类高光度周期性脉动变星,它的光变周期(即亮度变化一周的时间)与它的光度成正比,因此可用于测量星际和星系际的距离。

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