宇宙膨脹的速度:科學家不同意

expansion of the universe

-2019年10月29日的新聞-

宇宙的膨脹並不總是具有相同的速度

宇宙正在膨脹,也就是說,所有不受重力約束的物體都相互遠離。但是,宇宙膨脹的速度尚有爭議。這是宇宙學的主要問題之一。在普遍接受的模型中,宇宙的膨脹速度隨時間變化。

在其誕生之初,宇宙將經歷一個極端的通貨膨脹階段,這將使其迅速成長。然後由於暗物質的引力作用,它以較慢的速度減速。這個階段將持續數十萬年。從那時起,宇宙的膨脹將再次加速,這一次是在暗能量的影響下。

哈勃常數,用於測量宇宙膨脹速度的標準

這個故事部分歸因於哈勃常數的測量,該常數描述了給定時刻宇宙的膨脹率。問題在於,根據所使用的科學儀器和方法,哈勃常數的測量值並不總是一致的。

一些天體物理學家依靠對宇宙微波背景(CMB)的觀察,該背景是宇宙有380,000年曆史時發出的宇宙第一光的化石。這使他們能夠估計哈勃常數為每兆帕67 km/s。這意味著一個1兆視差的星系(約650萬光年)以67 km/s的速度遠離我們,而一個2兆視差的星係以兩倍的速度移動。

研究表明宇宙膨脹比我們想像的要快

當人們想要對真實星系或多或少地進行測量時,得到的哈勃常數等於兆帕秒的74 km/s,而不是67 km/s。年越久,調和這兩個數字就越困難。見證由加利福尼亞大學的一組天體物理學家發表的一項新研究。多虧了哈勃太空望遠鏡和凱克天文台,他們才採用了使用引力透鏡的方法。

有趣的是,為了避免任何偏差,他們進行了盲目研究,也就是說,他們將結果隱藏起來,直到確定消除所有錯誤源為止。像我們所有人一樣,天文學家可能會遭受認知偏見。他們可以在不知不覺中調整一組數據以匹配宇宙學模型。但是,儘管採取了這些額外的預防措施,它們的結果仍無法解決難題。像在本地進行的所有測量一樣,它們的哈勃常數為每兆帕75 km / s。

宇宙膨脹的真正速度是多少?

在67 km/s和75 km/s之間,差異太大,不能視為誤差範圍。因此,天體物理學家面臨困境。由於宇宙微波背景(大多數天體物理學家認為不可能)而導致的宇宙膨脹率的測量存在問題,或者有必要審查宇宙學的標準模型。

例如,暗能量的屬性可能會隨著時間而改變,或者我們的觀察結果太不精確。我們希望更大的天文台和更高效的方法的到來將解決這個難題。但是,如果天文學家無法調和這兩種措施,則可能有必要更深入地回顧我們的宇宙歷史。









宇宙膨脹,暗能量 :DESI的挑戰

-2019年10月13日的新聞-

暗能量是現代物理學中最棘手的難題之一。二十年來,一系列措施似乎表明宇宙的膨脹隨著時間的推移而加速。由於物理學允許的四個基本力中的任何一個都不能解釋這種現象,因此到目前為止,導致這種加速的現象稱為黑能。

如果我們不了解暗能量,則至少可以嘗試測量其影響。這就是創建DESI的原因。該科學儀器將可通過Mayall望遠鏡及其4米反射鏡工作。 DESI將觀測數以千萬計的類星體和星系,這有望創建一個跨越110億光年的宇宙3D地圖。

這張史無前例的大小和精度的地圖應該使我們能夠更好地掌握宇宙的大型結構如何分佈,演化以及暗能量的作用。這將是檢驗廣義相對論的補充或替代的機會。 DESI將基於重子的所謂聲振盪所留下的痕跡(即宇宙等離子中的聲波,聲音所留下的印跡)準確測量距離。從2022年起,歐幾里德歐洲太空天文台將從太陽地球系統的L2拉格朗日點使用相同的方法。

DESI的測試應迅速開始。從事該項目的團隊希望在2025年之前恢復完整的數據,這可能會更好地理解所謂的暗能量。

可以通過類星體來衡量宇宙的擴張

– 2019年2月5日的新聞 –

暗能量是現代天文學最重要的奧秘之一。我們知道,自20年以來,宇宙的擴張正在加速。我們的宇宙每天都在增長,並且越來越快。如果宇宙完全由質量組成並且僅僅在重力上大規模服從,它只能減速。但這與我們似乎觀察到的相反。

可以製定對這種現象的幾種解釋。也許我們的措施是錯誤的。但是,越來越多的人得出了同樣的結論。也許我們對大規模引力的理解尚未完成。或者我們可以想像一種未知性的能量會推動宇宙的成長。它可能是一種基本常數,只是自然法則的一部分。

當試圖確定宇宙膨脹速度時,最大的問題是我們不知道如何很好地測量大距離。通過觀察1A型超新星的亮度,這可以在最近的時期內相當有效地完成。我們還可以探索宇宙歷史的起源,這要歸功於宇宙微波背景(CMB),它讓我們可以很好地了解宇宙在大爆炸後38萬年後的情況。但是在這兩個極端之間,很難評估哈勃常數,即在給定時刻給出宇宙膨脹率的幅度。

一支意大利團隊認為他們已經找到了一種新的方法來確定距離,從而衡量宇宙膨脹的速度。這包括觀察類星體的光度,這些極星是從非常遠的地方觀察到的極其明亮的星系核。與1A型超新星不同,並非所有類星體具有相同的絕對量值。當我們觀察到類星體比另一個不那麼明亮時,我們不知道它是否是因為它距離更遠或者它是否在相同的距離但是精力不足。

為了克服這個障礙,意大利團隊比較了兩個不同光譜帶中的類星體的光,X射線和紫外線。通過建立這兩個光通量之間的比率,他們發現了可以確定距離的常數。用這種方法研究了近1600個類星體,這使我們能夠寫出更完整的宇宙膨脹歷史。

這項研究的第一個結果表明,暗能量隨著時間的推移越來越強烈。因此,不僅宇宙的膨脹在加速,而且導致它的元素本身也在不斷發展。如果確認這個結果可能需要數年時間,那麼就有必要回顧一下試圖解釋暗能量的眾多模型。暗能量將在宇宙中發揮越來越重要的作用,不斷移動星系和恆星。在足夠大的時間尺度上,即使構成原子的粒子也會相距很遠,這可能意味著時間的結束。

宇宙的扩张会越来越快

– 2018年2月27日的新闻 –

哈勃太空望远镜已经运行了近30年,并继续提供非常重要的成果。最近的观察表明,宇宙膨胀的加速实际上比预期的要快得多。问题来自哈勃数据与几年前获得的普朗克空间天文台数据的比较。两种仪器的测量结果都被认为非常可靠。他们都试图确定哈勃常数,这是一个描述特定时刻宇宙膨胀率的参数。普朗克的数据将这个数据定为每百万分之67公里至每秒69公里。普朗克通过研究宇宙微波背景进行了这些测量,宇宙微波背景是这个拥有138亿年历史的宇宙的第一道亮光。

新的哈勃数据估计哈勃常数每百万分之63公里每秒。哈勃望远镜观测到了造父变星,它们是近期变星。两种措施之间存在9%的差异。问题在于解释它有困难。错误陷入两项措施之一的可能性非常低。这些结果似乎表明,宇宙的膨胀在其历史中已经加速,甚至比原先想象的还要快。

在可能的解释中,当然存在暗能量。如果没有明确定义,它可以添加到宇宙学的标准模型中来解释这种类型的观察。另一种可能性是暗物质与更传统的物质之间的相互作用强于预期。最后,新模型不断出现,试图为这种现象提供解释,例如黑色辐射,只受重力影响的无菌中微子。

加速宇宙膨胀的最早证据是最近的,可以追溯到20世纪90年代末期,并且在达成关于导致这种加速的机制的共识之前,可能需要更多年的观察和推测。这就是为什么我们很遗憾很可能取消WFIRST,因为该仪器将允许在宇宙的不同年龄测量哈勃常数。幸运的是,欧洲并没有取消欧几里德,它的未来太空观测站致力于研究宇宙的扩张和暗能量。它应该在下一个十年开始时投入使用。它将在过去尝试回溯到100亿年。暗能量的不同模型呈现出微小的变化,因此需要非常高的精度测量来确定哪个轨道最有趣。

图片来自NASA / WMAP科学团队[公共领域],通过Wikimedia Commons

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