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一个悬而未决宇宙难题的答案找到了

www.creaders.net | 2024-03-19 15:47:08  煎蛋网 | 0条评论 | 查看/发表评论

  韦伯望远镜的测量结果为一个悬而未决十年之久的宇宙学难题带来新的启示。

  宇宙膨胀速率,即哈勃常数,是理解宇宙演化和最终命运的基础参数之一。然而,测量哈勃常数的值与从大爆炸余辉预测的值之间存在着持续的差异,被称为"哈勃张力"难题。美国国家航空航天局/欧洲航天局/加拿大航天局的詹姆斯·韦伯空间望远镜确认,哈勃空间望远镜的锐利视野从一开始就是正确的,消除了对哈勃测量结果的任何残余疑虑。

  建造美国国家航空航天局/欧洲航天局哈勃空间望远镜的科学理由之一,就是利用其观测能力来精确测量宇宙的膨胀速率。在1990年哈勃望远镜发射之前,地基望远镜观测存在巨大的不确定性。根据推导出的膨胀速率值,宇宙的年龄可能在100亿至200亿年之间。在过去34年里,哈勃望远镜通过对重要的里程碑标记物"塞费伊变星"进行测量,从而完善了"宇宙距离阶梯"模型,将这一测量值的精确度缩小到不到1%,最终得出宇宙年龄为138亿年。

  然而,哈勃望远镜得出的值与其他暗示宇宙在大爆炸后膨胀速度更快的观测结果不一致。后者是由欧空局的"普朗克"卫星对宇宙微波背景辐射的测量获得的,描绘了大爆炸后宇宙如何逐步形成结构。

  解决这一难题的简单办法是说,也许哈勃的观测是错误的,是由于某些不准确性影响了其对深空参考物的测量。这时,詹姆斯·韦伯空间望远镜的到来让天文学家能够交叉验证哈勃的结果。韦伯在红外波段上观测的塞费伊变星结果与哈勃在可见光波段的数据一致。韦伯证实,哈勃望远镜锐利的视力从一开始就是正确的,消除了对哈勃测量的任何疑虑。

  总的来说,邻近宇宙与早期宇宙膨胀情况之间的"哈勃张力"仍然是困扰着宇宙学家的一个令人困扰的难题。也许空间结构的本质中还蕴藏着我们尚未理解的东西。

  这种差异是否需要新的物理学来解释?还是两种测定空间膨胀速率的方法之间存在测量误差导致的结果?

  现在哈勃和韦伯完成了权威测量,进一步支持了除测量误差外还有其他因素影响着膨胀速率的论点。

  "一旦排除了测量误差,剩下的令人振奋的可能性就是,我们对宇宙的理解出现了偏差,"约翰斯·霍普金斯大学的物理学家 Adam Riess 说道。Adam 因发现宇宙膨胀正在加速这一事实而获得诺贝尔奖,导致了这种被称为"暗能量"的神秘现象。

  作为交叉验证,2023年韦伯的首次观测就证实了哈勃测量膨胀宇宙是准确的。然而,一些科学家曾希望通过这种方式缓解"哈勃张力",他们猜测随着我们观测到更深的宇宙,潜在的测量误差可能会增大并变得明显。特别是,恒星拥挤可能会系统性地影响更远恒星的亮度测量。

  由 Adam 领导的"SH0ES(暗能量状态方程的超新星H0)"团队,利用韦伯对一些关键的宇宙里程碑标记物——塞费伊变星进行了额外观测,现在可以与哈勃的数据进行关联了。

  "我们现在已经覆盖了哈勃观测的整个范围,我们可以高度确信将测量误差排除为'哈勃张力'的原因,"Adam 说。

  该团队2023年最初几次韦伯观测成功地表明,哈勃在牢牢确立了所谓"宇宙距离阶梯"的第一级阶梯是正确的轨道上。

一个悬而未决宇宙难题的答案找到了

  天文学家根据所观测的天体,采用不同的方法来测量宇宙中的相对距离。这些技术统称为"宇宙距离阶梯",每一级阶梯或测量技术都依赖于前一级进行校准。

  但一些天文学家提出,在"第二级阶梯"上向外延伸,随着距离的增加,塞费伊变星的测量可能会变得不太准确,从而使"宇宙距离阶梯"开始摇晃。这种不准确性可能是因为,一颗塞费伊变星的光线可能会与相邻恒星的光线混合——这种效应随着距离的增加、恒星在天空中拥挤在一起、难以区分彼此而变得更加明显。

  在过去的哈勃图像中,这些更远的塞费伊变星看起来越来越挤在一起,与所在星系中的相邻恒星重叠,因此需要仔细考虑这种影响。中间的尘埃也进一步影响了可见光下测量的确定性。韦伯可以穿透尘埃,并且由于其在红外波段的视力比哈勃更锐利,很自然地就能将塞费伊变星与周围的恒星隔离开来。

  Adam 说:"结合韦伯和哈勃,我们就获得了两全其美的效果。我们发现,随着我们在'宇宙距离阶梯'上攀升得更高,哈勃的测量仍然可靠。"

  新的韦伯观测包括5个有8颗Ia型超新星的宿主星系,总共包含1000颗塞费伊变星,观测范围延伸至迄今已经测量过塞费伊变星的最远星系NGC 5468,距离1.3亿光年。巴尔的摩的空间望远镜科学研究所的Gagandeep Anand说: "这跨越了我们用哈勃进行测量的整个范围,所以我们已经到达了'宇宙距离阶梯'的第二级的终点。"该研究所为美国国家航空航天局运营韦伯和哈勃两大望远镜。

  哈勃和韦伯一同确认了"哈伯张力"现象,为包括美国即将推出的"南希·格雷斯·罗曼"空间望远镜和欧空局最新发射的"欧几里德"任务在内的其他天文观测为最终解开这个谜团做好了准备。

  目前,情况就像哈勃和韦伯观测的"宇宙距离阶梯"在河流一岸牢牢地铺设了一个锚点,而"普朗克"卫星从大爆炸之初观测到的余辉则在另一岸坚定地存在。但在这两个时间节点之间数十亿年的时间里,宇宙膨胀是如何变化的还有待直接观测。亚当说:"我们需要找出是否错过了某些东西,即如何将宇宙的起源与现在连接起来。"

  这些发现发表在2024年2月6日出版的《天体物理学快报》上。

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