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新观测发现邻近宇宙膨胀更快,科学家惊讶

2020-1-12 环球解密

2020年1月8日,在美国夏威夷檀香山举行的第235届美国天文学会年会上,天文学家公布了宇宙膨胀速度测量的最新结果。令人惊讶的是,新结果与以前观测结果有巨大差异。

被引力透镜的类星体照片示意图

最新结果使用引力透镜法进行测量。由于宇宙中星系的巨大引力,它们可以像一个巨型放大镜一样,放大并扭曲来自其背后天体的光。利用这个效应天文学家可以精确测量星系与地球的距离,从而测定宇宙膨胀速度。

然而,研究人员发现新方法测定的邻近宇宙膨胀速率,与之前通过微波背景辐射所测定的遥远宇宙膨胀速率之间有明显差异。

宇宙的膨胀速率一般用哈勃常数来描述。知道哈勃常数的精确值对于确定宇宙的年龄、大小、以及宇宙的演化至关重要。揭开这个谜底是近年来天体物理学面临的最大挑战之一。新研究结果表明,我们现有宇宙模型可能存在巨大漏洞,需要新理论来解释邻近宇宙和遥远宇宙之间哈勃常数的差异。

进行新的哈勃常数测量的研究项目叫作H0LiCOW。该项目组在过去二十年中极大改进了引力透镜测量哈勃常数的技术。

H0LiCOW和其它最近的测量结果表明,邻近宇宙的哈伯常数比欧洲航天局普朗克卫星(Planck satellite)对遥远宇宙中微波背景辐射进行的哈勃常数测量要更大。

H0LiCOW小组负责人,德国马克斯·普朗克天体物理学研究所(Max Planck Institute for Astrophysics)的研究员,同时也任职台湾中央研究院的研究员苏游瑄(Sherry Suyu)说:“如果这些结果不一致,则可能暗示我们尚未完全理解物质和能量如何随时间演化,特别是在早期。”

H0LiCOW团队使用哈勃望远镜观测了六个遥远类星体发出的光线。望远镜观察到来自每个类星体的光如何通过巨大的前景星系的引力扭曲放大成四个图像。研究的星系距离我们有30亿到65亿光年。类星体与地球的平均距离为55亿光年。

来自每个透镜类星体图像的光线到达地球的路径略有不同。为了追踪每条路径,天文学家监视了类星体的黑洞吞噬物质时产生的闪光。当光线闪烁时,每个被引力透镜的图像会在不同的时间变亮。

这一闪烁序列使研究人员能够测量透镜光沿着其到达地球路径时每个图像之间的时间延迟。然后,天文学家可以推断出从星系到类星体,以及从地球到星系之间的距离。通过比较这些距离值,研究人员测量了宇宙的膨胀速率,即哈勃常数。

团队成员、日本东京大学科维理宇宙物理学与数学研究所的研究员肯尼斯·黄(Kenneth Wong)说:“每个时延的长短都表明宇宙膨胀的速度。如果时间延迟更短,那么宇宙在以更快的速度膨胀。如果时间更长,则说明膨胀速度更慢。”

研究人员计算出的哈勃常数值为每兆秒差距73公里/秒,其不确定性为2.4%。这意味着,由于宇宙的膨胀,每离开地球330万光年,一个星系就会以每秒73公里的速度远离我们。

该团队的测量值接近于另一个叫作SH0ES的团队测量的的哈勃常数。SH0ES的测量是基于通过使用造父变星和超新星来测量星系的距离。

但是,SH0ES和H0LiCOW值与普朗克卫星测定的哈勃常数大约每兆秒差距67公里/秒的结果显着不同。

“我们克服的挑战之一是通过一个称为COSMOGRAIL的项目进行专门的监视程序,以获取其中一些类星体透镜系统的时间延迟。”COSMOGRAIL项目负责人、瑞士洛桑联邦理工学院(Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne)的研究员弗雷德里克·库宾(Frédéric Courbin)说。

从2012年开始,H0LiCOW团队已获得哈勃图像和10个被引力透镜的类星体及其引力透镜星系的时延信息。该团队的目标是观察30个以上的透镜类星体系统,以将其2.4%的不确定度降低到1%。

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