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文章来源:中国科学报    发布时间:2019-07-23 18:40:03  【字号:      】

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  探索宇宙膨胀速度——
  三种方法测出三个哈勃常数,到底哪个准?

  今日视点

  本报记者 刘 霞

  自上世纪20年代以来,美国天文学家哈德温·哈勃的观测让科学家知道,宇宙在不断膨胀。那么,宇宙的膨胀速度有多快——也即所谓的哈勃常数有多大呢?

  哈勃常数是宇宙参数,在各种各样的宇宙学计算中都扮演非常重要的角色,它决定了宇宙的绝对规模、大小和年龄,是我们量化宇宙演化最直接的工具之一。此外,它也与暗物质、暗能量的属性有关,而后两者,是我们目前仍未揭示的宇宙几大谜团中的两个。

  100多年来,科学家分别借助对Ia型超新星和宇宙微波背景(CMB)的观测,测出了两个哈勃常数的值,但这两个值并不一样,这让科学家们很迷惑。现在,通过对红巨星的研究,科学家又得出了一个新的哈勃常数值,新值介于上述两者之间,令整个事件更加扑朔迷离。

  两个哈勃常数不一致

  20世纪20年代,哈勃(哈勃太空望远镜就是以他的名字命名)等人发现,宇宙正在膨胀——因为大多数星系离银河系越来越远,且距离银河系越远的星系,后退的速度也越快。星系远离银河系的速度和星系与银河系的距离之间的比率大致恒定,这一比率被称为哈勃常数。

  经过研究计算,哈勃发现,一个星系与地球的距离每增加百万秒差距(Mpc,约326万光年),该星系远离地球的速度就增加500公里/秒,所以那时,哈勃测出的哈勃常数值为500公里/秒/百万秒差距(km/s/Mpc)。

  几十年来,随着测量技术的不断改进,天文学家大幅下调了哈勃常数的估算值。20世纪90年代,弗里德曼率先使用哈勃太空望远镜来测量哈勃常数,计算出的值约为72公km/s/Mpc,误差范围不到10%。此后,由约翰霍普金斯大学诺贝尔奖获得者亚当·里斯领导的团队测得了迄今最精确的值——74km/s/Mpc,误差率仅为1.91%。

  测量哈勃常数的难点在于可靠地测量星系的距离。在上述测量方法中,研究人员主要是借助对造父变星和Ia型超新星的运动进行测算,得出了星系的距离,从而计算出了哈勃常数的数值。

  造父变星是一类特殊的恒星,其亮度变化周期与自身光度直接相关,因而可用于测量星系等的距离。而Ia型超新星则是一类爆发的恒星,其亮度基本恒定,所以二者在天文学上均被当作“标准烛光”,用于计算遥远星系的距离。在里斯的研究中,他们对约2400颗造父变星和约300颗Ia型超新星的运动进行了测算。

  除了上述方法,参与欧洲航天局普朗克任务的科学家也借助对宇宙微波背景的观测,计算出了新的哈勃常数值:67.8km/s/Mpc。

  里斯测得的74km/s/Mpc比由普朗克卫星测得的67.8km/s/Mpc高出9%。哈勃常数的倒数与宇宙的年龄直接相关——哈勃常数数值越大,宇宙的年龄就越小。如果我们接受哈勃常数为里斯所测得的值,其比之前测得的要高出9%,那么由它推测出的将是一个年轻约10亿年的宇宙。

  或与暗能量有关

  据英国《科学新闻》杂志网站7月17日报道,对此差异,里斯提出了一些可能的解释。一种可能是,促使宇宙加速膨胀的暗能量可能会以更大的力或者越来越大的力把星系推离,这意味着宇宙膨胀的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年发现宇宙加速膨胀与他人共享诺贝尔奖。

  另一种可能性是,宇宙中存在一种新的亚原子粒子,其速度接近光速。这种快速粒子被统称为“暗辐射”,包括一种名为“惰性中微子”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。

  还有一种更有吸引力的解释认为,暗物质与普通物质的作用比现在我们认为的更强烈。其中任何一种情况都会改变现有的宇宙学标准模型。该模型描述了一个包含宇宙学常数Λ和暗能量、冷暗物质(CDM)的宇宙,是目前最简单的模型,可以很好地解释微波背景辐射的存在及其结构、大尺度结构中星系的分布、元素丰度、宇宙加速膨胀等观测结果。

  目前,科学家正在寻找解决办法,希望对宇宙学标准模型进行修改,使其能解释哈勃常数两个值不兼容的问题。

  红巨星被选作新的“标准烛光”

  问题还未解决时,科学家的另一条测量路径,让整个事件更加扑朔迷离。

  芝加哥大学天文学家温迪·弗里德曼领导的团队更新了哈勃测量方法中的一个关键要素——使用红巨星而非造父变星作为宇宙“标准烛光”,得到了69.8km/s/Mpc的值。

  科学家一直试图找到比造父变星更好的“标准烛光”,因为造父变星往往存在于拥挤且充满灰尘的区域,这可能会使对其亮度的估计发生扭曲。为此,弗里德曼和同事避开了造父变星,使用红巨星作为测量更遥远星系的“标准烛光”。

  红巨星比造父变星更常见,在星系周边区域很容易发现,在这些区域,恒星彼此隔离,灰尘不是问题。红巨星的亮度变化很大,但作为一个整体,一个星系内的红巨星群拥有一个独特而明显的特征:这些恒星的亮度会在数百万年间增加,直到达到最大值,然后突然下降。当天文学家根据颜色和亮度绘制一大群恒星时,红巨星看起来像一团拥有明显边缘的圆点,身处边缘的恒星可以作为“标准烛光”。

  弗里德曼团队使用该技术计算了18个星系到地球的距离,并获得了最新的哈勃常数估计值。

  芝加哥大学的宇宙学家洛基·科尔布说,随着有关红巨星的数据不断积累,技术的精确度将提高,红巨星可能在不久的将来击败造父变星,成为广受欢迎的“标准烛光”。

  尽管如此,里斯说,这项红巨星研究仍然跟星系中的尘埃数量,尤其是大麦哲伦星云中的尘埃数量有关。他说:“尘埃很难估计,这可能也是造成这两个哈勃常数值偏低的原因。”

  弗里德曼在接受《自然》杂志采访时说:“现在,我们正试图解释这一切。如果宇宙膨胀速度之间的差异没有解决,那么,可能意味着天文学家用来解释其数据的一些基本理论——如关于暗物质性质的假设可能是错误的。”(科技日报北京7月22日电)




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