人类依然不了解有关宇宙扩展的一些基本事实

我们对哈勃常数的测量似乎无法得出一致的答案,接下来学到的东西可能会改变我们对宇宙的看法。

自从人类确认宇宙正在扩展以来,距现在已有100年的时间了。但是我们仍在为一个基本事实而苦苦挣扎——「扩张的速度是多少」?科学家也试图测量此值的关键数字,最终却得到了不同的答案。这个问题的后果可能会大大改变我们对宇宙的认知。

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宇宙扩展

早在1929年,天文学家埃德温·哈勃利用对银河系的观测表明,它们的速度跟它们与我们的距离之间存在相关性。当距离越远时,它们似乎越快从我们的银河系中退缩。广义相对论当时只有大约十年半的时间,对此发现有明确的理论解释,即时空不是静态的,它在不断膨胀,像河上的木筏一样运送星系。

哈勃之所以能够做出这一重大发现,是因为我们现在称之为利维特定律。亨利埃塔·利维特于1908年发现了该定律,它涉及称为造父变星的年轻恒星。这些恒星被称为可变星,因为它们的亮度和大小会有所不同。

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宇宙扩展

利维特在哈佛大学天文台计算时,注意到造父变星有一种模式,就是它们的光发射功率(对天文学家来说是绝对大小)与脉动频率相关。换句话说,通过观察它们,可以计算出它们的绝对大小,然后我们可以用它来计算我们离一个物体有多远。

利维特定律在我们所谓的宇宙距离阶梯上创建了一个横档,该阶梯是我们测量到天空物体的距离的不同方法的集合。造父变星是一种强大的工具,因为它们是在其他星系中发现的。哈勃利用了这一点,让他发现银河系以与我们到我们的距离成正比的速度远离我们,而这种关系的比例常数称为哈勃常数。

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宇宙扩展

莱维特发现利维特定律的90年后,天文学家正在使用被称为「Ia型超新星」爆炸的恒星进行距离测量。他们发现了一些出乎意料的事情,不仅时空在扩展,而且这种扩展正在加速,就像河水在加速。众所周知,宇宙加速的发现让三位天文学家获得了诺贝尔奖。

在相当一段时间里,关于宇宙扩展的讨论主要集中在解释宇宙加速的问题上。但是现在,天文学家正在花费大量时间争论哈勃常数的确切值。

因发现宇宙加速而获得诺贝尔奖的亚当·里斯一直领导着一个团队,该团队使用Ia型超新星寻找哈勃常数的值,该值比通过涉及宇宙微波背景(CMB)的另一种方法产生的哈勃常数大12%。这种差异远大于所涉及的误差范围,这意味着如果两个测量考虑了所有正确的物理原理,那么这两个测量似乎就不一致了。

正如造父变星一样,因为它们是年轻的恒星,所以它们往往被尘埃包围。这是一个问题,因为它会模糊测量结果,从而使测量结果不准确。这意味着在基于造父变星的Ia型超新星距离的校准中可能会出现误差,从而导致从观测到的距离计算出的误差。

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Ia型超新星

实际上,自那以后,PHAT发现里斯和他的团队可能对他们的造父变星进行了错误的校准,这可能是由于他们使用了地面望远镜而不是像PHAT用于太空的设备。这就会导致看起来一颗恒星实际上是几颗恒星的可能性,并且这种影响随着距离的增加而变得更糟。

在2019年7月,天文学家温迪·弗里德曼指出这些不一致之处在于“它晚上会保持什么状态”。她领导的一个团队正在使用另一种恒星测量哈勃常数,所谓的红巨星尖端分支,称为TRGB。这些恒星可能是太阳质量的一半,并且处于生命的后期,在所有氢都燃烧完之后,氦已开始在其核心燃烧。今年早些时候,弗里德曼的团队发表了一篇论文,称用TRGB校准Ia型超新星会导致哈勃值介于CMB测量所建议的值与里斯团队发现的值之间。

为什么这些值会存在如此差异?我们只是「不知道」,但是,而这种「不知道」也是令科学如此有趣的一部分原因。

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