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是宇宙“标准模型”本身出了问题?最新哈勃常数测量结果出炉

2020/6/24 0:15:24 来源:原创 浏览:

用国际射电望远镜进行的一组新精确距离测量,极大地增加了理论家需要修改描述宇宙基本性质“标准模型”的可能性。新的距离测量使天文学家能够改进对哈勃常数(宇宙膨胀率)的计算,这个值对于测试描述宇宙组成和演化理论模型很重要。问题是,当应用于普朗克卫星对宇宙微波背景的测量时,新的测量加剧了之前测量哈勃常数与模型预测值之间的差异。

美国国家射电天文台(NRAA)詹姆斯·布拉茨(James Braatz)表示:我们发现星系比标准宇宙学模型预测的更近,这证实了其他类型的距离测量中发现一个问题。这个问题是存在于模型本身,还是存在于用于测试它的测量结果。研究使用了一种完全独立于所有其他测量技术的距离测量技术,缩小了实测值和预测值之间的差距,很可能是预测中涉及的基本宇宙学模型存在问题。

哈勃常数

布拉茨领导着Megamaser宇宙学项目,该项目通过寻找具有特定属性的星系来测量哈勃常数,这些星系有助于产生精确的几何距离。该项目使用了国家科学基金会的甚长基线阵列(VLBA)、卡尔·G·詹斯基甚大阵列(VLA)和罗伯特·C·伯德·格林班克望远镜(GBT),以及德国的埃菲尔斯伯格望远镜,其研究发现发表在《天体物理学》期刊上。哈勃太空望远镜是以著名天文学家埃德温·哈勃的名字命名。

哈勃在1929年首次通过测量到星系的距离和后退速度来计算宇宙的胀率(哈勃常数)。星系距离越远,离地球的后退速度就越快,现在哈勃常数仍然是观测宇宙学的一个基本性质,也是许多现代研究的焦点。测量星系的后退速度相对简单。然而,对天文学家来说,确定宇宙距离一直是一项艰巨的任务。对于我们银河系中的物体,天文学家可以通过测量从地球绕太阳轨道的两边观察时物体位置的明显偏移来测量距离。

标准蜡烛

这种效应被称为视差,第一次这样测量恒星的视差距离是在1838年。在银河系之外,视差太小而无法测量,所以天文学家们依赖于被称为“标准蜡烛”天体,之所以这样命名,是因为天文学家假定它们的固有亮度是已知的。到已知亮度物体的距离可以根据该物体从地球上看起来有多暗来计算。这些标准蜡烛包括一类被称为造父变星的恒星和一种特殊类型的恒星爆炸,被称为Ia型超新星。

另一种估计膨胀率的方法包括观察遥远的类星体。这些类星体的光线,因前景星系的引力效应而弯曲成多幅图像。当类星体的亮度变化时,这种变化会在不同的时间出现在不同的图像中。测量这一时间差,以及计算光弯曲的几何形状,就可以得到膨胀率的估计值。根据标准蜡烛和引力透镜类星体测定哈勃常数,得出的数值为每73~74km/s/Mpc。然而,将标准宇宙学模型中的哈勃常数预测应用于宇宙微波背景(CMB)-大爆炸遗留下来的辐射测量时:

得到的值为67.4km/s/Mpc,这是一个显著而令人不安的差异。天文学家表示,这种差异超出了观测中的实验误差,对标准模型有严重影响。这个模型被称为兰姆达冷暗物质(兰姆达CDM),其中“兰姆达”是指爱因斯坦的宇宙常数,是暗能量的代表。该模型将宇宙的组成主要分为普通物质、暗物质和暗能量,并描述了自大爆炸以来宇宙是如何演化的。Megamaser宇宙学项目的重点是:星系中心有含水分子吸积盘围绕着超大质量黑洞旋转的星系。

新哈勃常数值

如果从地球上几乎可以看到绕轨道运行的黑洞吸积盘,称为脉泽的射电发射亮点。可以用来确定黑洞吸积盘的物理大小和角度范围,因此,通过几何学,可以确定它的距离,研究团队使用全世界射电望远镜来进行这项技术所需的精确测量。在最新研究中,研究小组改进了对四个星系的距离测量,距离从1.68亿光年到4.31亿光年不等。结合之前对另外两个星系的距离测量,计算得出了哈勃常数的值为73.9km/s/Mpc。

测试宇宙标准模型是一个非常具有挑战性的问题,需要对哈勃常数进行有史以来最精确的测量。哈勃常数预测值和实测值之间的差异指向了所有物理学中最基本的问题之一,所以科学家希望有多个独立的测量来证实这个问题,并测试这个模型。哈佛史密斯天体物理中心的研究员多姆·佩斯(Dom Pesce)说:才用几何方法,完全独立于所有其他方法,缩小了这种差异。测量宇宙膨胀率的脉泽方法很优雅,而且与其他方法不同,它是基于几何学的。

宇宙模型出了问题

通过测量遥远黑洞周围吸积盘中脉泽斑点极其精确的位置和动力学,可以确定到宿主星系的距离,然后确定膨胀率。Megamaser宇宙学项目团队的成员、哈佛和史密森天体物理中心的马克·里德说:自这项独特技术的结果加强了观测宇宙学中一个关键问题的理由。对哈勃常数的测量与其他测量非常接近,在统计上与基于CMB和标准宇宙模型的预测非常不同,所有迹象都表明标准模型需要修订。

天文学家有多种方法来调整模型以解决这种差异,其中一些措施包括改变对暗能量性质的假设,远离爱因斯坦的宇宙常数。其科学家则着眼于粒子物理学的根本性变化,比如改变中微子的数量或类型,或者改变中微子之间相互作用的可能性。还有其他的可能性,甚至更具异国情调,目前科学家们没有明确的证据来区分它们。这是观察和理论相互作用的经典案例,兰姆达冷暗物质模型多年来一直运行得相当好,但现在的观察显然指出了一个需要解决的问题,问题似乎出在模型上。

博科园|研究/来自:美国国家射电天文台

研究发表期刊《天体物理学》

DOI: 10.3847/2041-8213/ab75f0

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