来自卡内基大学和芝加哥大学一组合作者利用哈勃太空望远镜观测到的红巨星,对宇宙膨胀的速度进行了全新测量,这让他们的研究陷入了一场激烈的争论之中。其研究结果将在《天体物理学》上发表,该研究结果正好落在前两种相互竞争的数值观之间。将近一个世纪以前,卡内基大学天文学家埃德温·哈勃发现,自从宇宙在大爆炸中爆炸形成以来,它一直在持续增长。但是精确地说,宇宙膨胀的速度(哈勃常数)仍然难以捉摸。
哈勃常数帮助科学家勾勒出宇宙的历史和结构,对它的精确测量可能揭示出这个流行模型的任何缺陷。哈勃常数是宇宙参数,它决定了宇宙的绝对规模、大小和年龄,这是我们量化宇宙演化最直接的方法之一。到目前为止,有两种主要的工具用来测量宇宙膨胀率。不幸的是,结果并不一致,即使双方都在做越来越精确的读数,这两个数字之间的紧张关系仍然存在。然而,这两个值之间的差异有可能是由于一种或两种方法中的一种。
或两种方法的系统不准确造成,这促使研究团队开发新技术。卡内基大学首创的一种方法是使用一种叫做造父变星的恒星,这种恒星每隔一定的时间就会发生脉冲。由于已知它们脉冲的频率与其固有亮度有关,天文学家可以利用它们的亮度和脉冲周期来测量与地球的距离。合著者之一卡内基大学的巴里·马多雷说:从远处看,两个很可能看起来是一样的,但“听”它们的音调可以发现,一个实际上更大、更远,而另一个则更小、更近。
同样,将遥远造父变星的亮度与邻近造父变星亮度进行比较,就能确定每颗恒星的主星系离地球有多远。”当一个天体的距离已知时,测量它远离地球的速度就能揭示宇宙膨胀速度。这两个数字的比值就是是哈勃常数。第二种方法使用大爆炸留下的余辉,它被称为宇宙背景辐射,是我们能看到的最古老光。在由婴儿宇宙组成的浓稠等离子体中,压缩模式仍然可以被看到,并被描绘成轻微的温度变化。
这些波纹记录了宇宙最初几个瞬间,可以通过一个模型在时间上向前运行,用来预测现在的哈勃常数。前一种技术测的宇宙膨胀速度是每百万秒74.0公里,后者说是67.4,如果这是真的,这种差异可能预示着新物理学。弗里德曼领导的卡内基-芝加哥哈勃计划,包括卡内基的天文学家马多、伯恩斯、菲利普斯、里奇和赛贝特,以及卡内基-普林斯顿的比顿,开发了一种计算哈勃常数的新方法。新技术是基于一种叫做红巨星的非常明亮的恒星。
在恒星生命周期的某一时刻,这些恒星中的氦被点燃,结构被核心中的新能源重新排列。就像在鸟类的叫声中一眼就能分辨出潜鸟的叫声一样,这种状态下红巨星的峰值亮度也很容易辨别,这使它们成为优秀的标准蜡烛。研究小组利用哈勃太空望远镜的敏感摄像机在附近星系中寻找红巨星。可以把它想象成扫描一群人,找出最高的那个人,就像最亮的红巨星经历氦闪光一样。如果你生活在这样一个世界里:你知道任何房间里最高的人身高都是一样(就像我们假设最亮的红巨星峰值亮度是一样)。
就可以用这个信息来告诉你,在任何给定的人群中,最高的人离你有多远。一旦知道了这些新发现的红巨星距离,哈勃常数就可以在另一种标准烛光Ia型超新星的帮助下计算出来,以减少红巨星与我们相对距离所带来的不确定性,并将我们的视野延伸到更远的哈勃流中。根据红巨星方法,计算出的宇宙膨胀率是69.8,在之前确定的两个数字之间有一个很有挑衅性的下降。三测量数值都不一样,这是宇宙学有危机吗?但目前的答案是:没有那么快,宇宙标准模型是否完整的问题还有待回答。
博科园|研究/来自:卡内基科学研究所
参考期刊《天体物理学》《arXiv》
Cite: arXiv:1907.05922
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