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宇宙膨胀有多快?

确定宇宙膨胀的速度是理解我们宇宙命运的关键,但有了更精确的数据,就出现了一个难题:基于我们当地宇宙中测量结果的估计与138亿年前大爆炸后不久的推断不一致。对宇宙局部膨胀率的新估计哈勃常数加剧了这种差异。

宇宙膨胀有多快?

天文学家使用一种相对较新且可能更精确的技术来测量宇宙距离,该技术将巨型椭圆星系中的平均恒星亮度用作距离阶梯上的梯级,天文学家计算出的速度为每秒73.3 km / sec / Mpc,误差在2.5 km / sec / Mpc——位于其他三个估算值的中间,包括来自Ia型超新星的金标准估算值。这意味着,距地球每百万秒差距(330万光年,即30亿亿公里),宇宙将每秒膨胀额外的73.3±2.5公里。其他三种技术的平均值为73.5±1.4 km / sec / Mpc。

令人困惑的是,基于宇宙微波背景中测得的波动以及独立于早期宇宙中正常物质密度的波动(重子声振荡),对局部膨胀率的估计给出了截然不同的答案:67.4±0.5 km / sec / Mpc。

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可以理解的是,天文学家担心这种失配,因为膨胀率是理解宇宙的物理和演化的关键参数,并且是理解暗能量的关键——黑暗能量会加速宇宙的膨胀速度,从而导致哈勃常数发生变化随着距地球距离的增加,速度比预期的更快。暗能量约占宇宙能量的三分之二,但仍是一个谜。

对于新的估算,天文学家测量了63个巨大的椭圆形星系的表面亮度波动,以确定距离并绘制了相对于速度的距离,以求出哈勃常数。表面亮度波动(SBF)技术与其他技术无关,并且有可能在大约100 Mpc的地球或3.3亿光年内提供比其他方法更精确的距离估计。样本中的63个星系的距离介于15到99 Mpc之间。

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“对于测量距银河系100毫秒的距离,这是一种了不起的方法。” 加州大学伯克利分校物理科学系朱迪·钱德勒·韦伯教授与天文学和物理学教授、宇宙学家马中珮说, “这是第一篇针对63个星系收集大量均匀数据的论文,目的是使用SBF方法研究哈勃常数值。”

马领导了对本地星系的大规模调查,该调查提供了43个星系的数据,占新分析中所用星系的三分之二。

美国国家科学基金会NOIRLab的天文学家约翰·布莱克斯利(John Blakeslee)收集并分析了这63个星系的数据。他是现在被《天体物理学杂志》接受发表的论文的第一作者,他是与奥勒姆犹他谷大学的同事约瑟夫·詹森合著的。支持NSF光学和红外天文台的科学团队负责人布莱克斯利是使用SBF测量到星系的距离的先驱,而詹森是最早在红外波长上应用该方法的人之一,两者在分析上与马中珮教授密切合作。

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“从某种意义上讲,整个天文学的故事就是为了理解宇宙的绝对尺度,然后向我们介绍了物理原理。” 布莱克斯利说,他回忆了詹姆斯·库克(James Cook)在1769年前往塔希提岛以测量金星凌日,以便科学家能够计算出太阳系的真实大小。“ SBF方法更广泛地适用于本地宇宙中一般的演化星系群体,并且当然,如果我们用詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb)太空望远镜得到足够的星系,则该方法有可能对哈勃常数进行最佳的局部测量。”

詹姆斯·韦伯太空望远镜的功率是哈勃太空望远镜的100倍,计划于10月发射。

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巨型椭圆星系

自从埃德温·哈勃(Edwin Hubble)首次测量局部膨胀率并得出七倍的答案以来,哈勃常数一直是争论的焦点,这暗示着宇宙实际上比最古老的恒星还年轻。过去和现在的问题在于,无法确定天体在太空中的位置,从而无法提供关于它们有多远的线索。

多年来,天文学家逐渐将我们可观测距离提高了很多,从计算距离天体的距离开始,因为由于视差,当地球绕着太阳公转时,它们似乎略有移动。被称为造父变星的可变恒星使您走得更远,因为它们的亮度与它们的可变性周期有关,而Ia型超新星则使您走得更远,因为它们是极其强大的爆炸,在它们的峰值能亮整个星系。对于造父变星和Ia型超新星,都可以从它们随时间变化的方式中找出绝对亮度,然后可以根据它们从地球上看到的视亮度来计算距离。

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当前最佳的哈勃常数估计值来自于遥远星系中Ia型超新星爆炸所确定的距离,尽管较新的方法(由遥远类星体的引力透镜造成的时间延迟以及绕黑洞运行的水脉泽的亮度)都具有相同的数值。

利用表面亮度波动的技术是最新的一种技术,它依赖于以下事实:巨大的椭圆形星系很古老,并且具有一致的老恒星(主要是红色巨星),这些星可以建模以提供整个表面的平均红外亮度。研究人员使用哈勃太空望远镜上的广角相机3获得了每个星系的高分辨率红外图像,并确定图像中的每个像素与“平均值”相差多少——整个图像上的波动越平滑,则距离越远。一旦对像明亮的恒星形成区域之类的瑕疵进行了校正,作者便将其排除在分析之外。

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布莱克斯利和马忠培教授都不对膨胀率接近其他局部测量值感到惊讶。但是,它们之间的矛盾也同样令人困惑,即与早期宇宙的估计存在明显的冲突——许多天文学家说这种冲突意味着我们当前的宇宙学理论是错误的,或者至少是不完整的。

早期宇宙的推论基于最简单的宇宙学理论,即兰姆达(lambda)冷暗物质模型或ΛCDM,该理论仅使用一些参数来描述宇宙的演化。新的估算是否支持ΛCDM?

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“我认为这会进一步增加可靠性。” 布莱克斯利说, “但是(ΛCDM)仍然存在。有人认为,对于所有这些本地测量,观察者都是错误的。但是,提出这一要求变得越来越难了-这将要求在系统中存在系统性错误。几种不同方法的方向相同:超新星、SBF、引力透镜、水脉泽。因此,随着我们获得更多独立的测量值,那么可靠性就会强。”

马中珮教授想知道,天文学家归因于其测量结果的不确定性是否过于乐观,既反映了系统误差又反映了统计误差,而且也许这两个估计范围仍然可以调和。

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她说:“我认为确实是在误差线中。但是,假设每个人的误差线都没有被低估,紧张局势将变得耐人寻味了。”

实际上,该领域的巨头之一,天文学家温迪·弗里德曼(Wendy Freedman)最近发表了一项研究,将哈勃常数定为69.8±1.9 km / sec / Mpc,这使水脉泽更加混乱。天文学家亚当·里斯(Adam Riess)的最新结果报告为73.2±1.3 km / sec / Mpc,该发现因发现暗能量而获得了2011年诺贝尔物理学奖。里斯进行这项研究时曾是加州大学伯克利分校的Miller博士后研究员,他与加州大学伯克利分校和伯克利实验室的物理学家索尔·珀尔默特(Saul Perlmutter)分享了该奖项。

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哈勃常数的新值是附近两个星系的其他两项调查的副产品,尤其是马中珮教授的MASSIVE调查,该调查使用太空和地面望远镜详尽地研究了地球约100 Mpc内的100个超大质量的星系,一个主要目标是权衡每个中心的超大质量黑洞。

为此,她需要精确的距离,而SBF方法是迄今为止最好的方法。MASSIVE的调查小组去年使用此方法来确定到南部的Eridanus星座中一个巨大的椭圆星系NGC 1453的距离。将这个距离,1.66亿光年与来自双子座和麦当劳天文台望远镜的大量光谱数据结合在一起,从而使得马中珮教授的研究生克里斯·利珀德(Chris Liepold)和马修·奎恩维尔(Matthew Quenneville)能够测量星系中心附近的恒星的速度,他们得出的结论是NGC 1453具有一个中心黑洞,其质量是太阳的近30亿倍。

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为了确定哈勃常数,布莱克斯利根据每个星系的HST观测时间45至90分钟,在MASSIVE调查中计算了到43个星系的SBF距离。其他20个来自另一项使用HST为大型星系成像的调查,特别是其中已检测到Ia型超新星的星系。

63个星系中的大多数年龄在8至120亿年之间,这意味着它们包含大量的古红巨星,这是SBF方法的关键,也可用于提高距离计算的精度。在这篇论文中,布莱克斯利同时使用了造父变星和一种利用星系中最亮的红巨星的技术(称为红巨星分支的尖端,或称为TRGB技术)来扩展探测对象的距离。他们获得了一致的结果,TRGB技术考虑到以下事实:星系中最亮的红巨星具有大约相同的绝对亮度。

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他说:“我们的目标是通过使用詹姆斯·韦伯太空望远镜获得对SBF的红巨星分支定标,使这种SBF方法完全独立于造父变星校准的Ia型超新星方法。”

马中珮教授补充说:“詹姆斯·韦伯望远镜有可能真正减少SBF的误差线。”但就目前而言,哈勃常数的两个不一致的量度将不得不彼此共处。

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