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让科学家为难的天地扩张速率

发布日期:2024-02-09 19:52    点击次数:151

  几十年来,天体裁家一直在为天地扩张的速率争论不断。如今有东说念主怀疑,他们测量空间距离的交替是否一直有误?

  人所共知,天地正在扩张。关于一个扩张着的天地,有一个数绝顶紧迫,它界说了天地的扩张速率,决定了天地的年事,并决定了天地的最终行运。这个数等于哈勃常数。

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  哈勃常数以好意思国天体裁家哈勃的名字定名。哈勃在1929年第一个发现,咱们周围的星系都在离开咱们,何况离开速率与星系的距离成正比,用公式抒发等于V=HD,其中V、D辨认为星系的速率和距离,H等于哈勃常数。哈勃常数表征天地扩张的速率(见小贴士:为什么哈勃常数表征天地扩张速率)。

  怎样测量哈勃常数?

  既然哈勃常数如斯紧迫,天体裁家天然要万分堤防性去测量它。可这恰是事情变得辣手的启动。

  因为H=V/D,是以要细目哈勃常数,需要测量天体的速率和距离。测量天体的速率相对好办,当一个天体隔离咱们时,它发出的光波到达地球时,波长会变长。这一舒适叫“多普勒红移”。字据红移量不错相配精准地测出天体隔离咱们的速率。事实上,当今公路上监视器对行驶中的车辆测速,字据的等于这一旨趣。

  测量天体的距离意旨上也很浅显。咱们知说念,光的亮度与距离的正常成反比,是以唯有把一个天体确凿切亮度(恒星自身的辐射强度,不研讨距离影响的皆备亮度)跟它在地球上看起来的亮度(也叫视亮度)作念个比较,就不错推算出它的距离。

  但这里触及两个问题:当先,怎样知说念一个天体确凿切亮度?其次,远处天体的光到达地球,照旧相配昏暗,怎样把它的视亮度测量准确?

  为了惩办这两个问题,天体裁家在测量天地空间距离的时候,时时选拔那些相对比较亮,同期又商讨得比较透顶的天体,比如造父变星和Ia型超新星。造父变星是天上一类亮度会周期性变化的恒星,字据其视亮度的周期性变化,能推算出它们到底有多远。Ia型超新星确凿切亮度表面上可推断,字据其视亮度也能推算出它的距离。

  相互矛盾的哈勃常数

  这么,字据红移量咱们测出了天体隔离咱们的速率,又字据视亮度也推算出它的距离。有了速率和距离,就能得到哈勃常数。

  测红移量不会有什么问题,但对视亮度的测量如故存在很大的症结,原因是在很长一段时间里,天文图像都是通过千里镜将光辉投射到胶片上拍摄的,而靠这些图像测量天体的视亮度,症结很大。这么得到的哈勃常数天然症结也很大。是以,之前对哈勃常数有两个估算值,两者险些进出一倍,一个是100(km/sec)/mpc,另一个是50(km/sec)/mpc,辨认来自两个巨擘东说念主物。两边各执一端,堕入一场浓烈的争论。

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  到了1990年代,数码录像启动彻底改变所有这个词天体裁,数码录像能让咱们得回比之前高得多的了了度。是以,哈勃天际千里镜辐射到手之后,好意思国加州卡内基天文台温迪·弗里德曼开发的团队应用哈勃天际千里镜上配备的数码相机,测得哈勃常数为73(km/sec)/mpc。

  既然弗里德曼的测量技艺更先进,哈勃常数似乎应该到此一槌定音,但故事并莫得截止。

  造父变星和Ia型超新星并不是测量哈勃常数的独一交替。天体裁家也不错应用天地微波布景辐射(CMB)来推断哈勃常数应该是些许。

  微波布景辐射是大爆炸后留住的余辉。当初它们原来都是波长极短的光波,但跟着天地扩张,波长被拉长。因为波长的拉长跟天地扩张联系,是以通过不雅测CMB,也能得到哈勃常数。但与前一种方针不同,通过测量造父变星、Ia型超新星,咱们不错径直得到哈勃常数;而不雅测CMB,咱们需要将其输入到天地学的法式模子才贤人划出哈勃常数。他们缱绻的成果是67(km/sec)/mpc。

  两个数值很接近,是不是?没错,但如故有点差距。两方的科学家都乐不雅地合计,唯有两边接续晋升精度,差距就会裁减,两者趋于一致。但没料想,当他们真这么作念的时候,差距并莫得裁减,何况更糟的是,以前差距好赖还不错用症结来打法夙昔,当今却没法再用症结来解说了。

  这个由两种不同交替得到的哈勃常数的不一致,叫哈勃冲破。这个冲破最近几年一直在困扰着天体裁家。

  新的测量距离的交替

  天然矛盾的两边都值得怀疑,但大大都天体裁家把板子打在了依赖CMB的一方。

  原因是,尽管CMB的测量不错测量得很准确,但前边说了,CMB本人并弗成径直告诉咱们哈勃常数,咱们必须将其输入到天地学的法式模子才贤人划出哈勃常数。法式模子是字据广义相对论栽培起来的,内部包含了好多内容,包括暗物资的影响等。这个模子在解说天场地方面面的事情上,迄今运作得很到手。但天地学家们个个都是“恶意眼”,巴不得它出事。它一出事,讲解这个模子并非完好,意味着今后他们有事情干了。在这场哈勃冲破中,CMB测量本人又诟谇常精准、力排众议的,他们恰恰不错去怀疑法式模子自身。是以近些年来,他们提议许多建议,什么广义相对论不行啦,什么天地中可能包含有某种有数乖癖的东西啦,等等。

  但好意思国加州的弗里德曼却卓尔不群,她的怀疑观点落在了以往对空间距离的测量上。她说,咱们迄今依赖造父变星、Ia型超新星测量得到的空间距离可能有误,有可能是亮度受到了星际尘埃的松开,因此需要寻找另一种类型的测量来考证。这等于为什么她转向另一类天体——红巨星——的原因。

  红巨星是恒星燃烧到后期所资历的“夕阳红”阶段。红巨星名义温度相对很低,但因为它们的体积相配重大,是以极为亮堂。纰漏在50亿年后,太阳也会参加红巨星阶段。当时,太阳扩张,金星和水星都会被吞吃。

  红巨星比造父变星浅显,咱们对决定它们确切亮度和激情的物理学也有很好的了解。天体裁家用红巨星来测量距离照旧有很长一段时间了,但因为它们比造父变星暗,是以自后不受接待。当今,跟着天际千里镜的转换,它们又再行回到了东说念主们的视线。红巨星比起造父变星有一个很大的上风:造父变星频繁吞并在星系的中心性带,那处恒星和尘埃多,它们的光辉容易被遮蔽;而好多红巨星处于星系的旯旮地带,那处的侵略少。

  差距在裁减!

  通过对红巨星的测量,最近好意思国加州卡内基天文台弗里德曼开发的团队测得的哈勃常数最新值是69.8(km/sec)/mpc——恰恰介于之前的两个值73和67之间。这给惩办哈勃冲破带来了但愿。

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  天然,新的数值跟CMB的67还有极幼年差距。弗里德曼寄但愿于通过2021年底升起的詹姆斯·韦伯天际千里镜的测量来弥补。

  与哈勃天际千里镜比拟,韦伯天际千里镜不错不雅察到更远的天体,何况与哈勃天际千里镜不同的是,韦伯千里镜是一个红外千里镜。而红巨星发出的光,大部分处于红外波段,是以用红外千里镜不雅察,它们看起来会比周围的恒星更亮,更显眼,测量精度会更高。

  若是,哈勃冲破能通过新的测量得到惩办,那将促使咱们反想之前对造父变星、Ia型超新星的测量在什么场地出了舛讹,甚而逼着咱们再行凝视暗能量是否存在的问题,因为暗能量是为了解说天地扩张加快而提议来的,而天体裁家之是以得出“天地扩张在加快”的论断,又是栽培在对造父变星、Ia型超新星的测量基础之上的。

  而关于那些但愿看到法式模子丢脸的东说念主来说,怕是要失望了。

  为什么哈勃常数表征天地扩张速率

  天然字面上都是“速率”,但天地扩张的速率跟频繁所说的物体通顺的速率,是两个见识。举个例子,篮球在空间通顺,对应的是通顺速率;而篮球充气扩张,对应的是扩张速率。

  在天体裁上,用1个mpc(百万秒差距,天体裁上的长度单元,绝顶于326万光年)的空间距离在1秒内被拉长的增量来示意天地扩张速率。

  这是什么真谛呢?举个例子,现存一根长1.5米的橡皮筋,在1秒内,你把它拉长到1.8米,增量是30厘米。若是把1.5米的橡皮筋分红三段,每段各50厘米,那么拉长之后,每段各增量10厘米。

  当今,咱们界说将1米的橡皮筋在1秒内拉长些许厘米看成橡皮筋的扩张速率。前边说的那根橡皮筋,1米的一段内容上被拉长了20厘米,是以扩张速率是“每秒20厘米每米”。相通意旨,在天体裁上谐和王法 “每百万秒差距的空间距离”在1秒内的增量,看成天地扩张速率,其单元是(km/sec)/mpc(千米/秒/百万秒差距)。

  在对天地扩张速率作念了这么的界说之后,你会发现,今日地匀速扩张时(即保合手扩张速率不变),任何极少离开中心的速率,都与它离开中心的距离成正比(正如拉橡皮筋的例子,距离50厘米,增量是10厘米;距离100厘米,增量是20厘米……),即天体离开中心的速率=天地扩张速率×天体离开中心的距离,而这恰恰等于哈勃定律V=HD。是以,哈勃常数内容上等于天地扩张速率。

  咱们再来看另一个问题。二十多年前,天体裁家不是还发现天地扩张正在加快吗?又该怎样交融“天地扩张正在加快”这个说法呢?

  咱们知说念,光的传播需要时间,是以咱们当今所看到的天体,事实是它们在夙昔所发出的光。天体越远,咱们当今所看到的“它”,事实上是越久远之前的“它”。咱们当今测量到的它的哈勃常数,事实上亦然天地夙昔某个时间的扩张速率。是以,当咱们测量后,发现近距离天体的哈勃常数比远距离天体的哈勃常数大时,咱们就说,天地当今比夙昔扩张得快,约略说天地扩张在加快。

  既然天地扩张在加快,按意旨说,各个时间的哈勃常数也不一样,天地莫得一个谐和的哈勃常数。不外,天地扩张加快并不彰着,咱们访佛地把它看作是在匀速扩张,是以天地不论在夙昔如故当今,都有一个谐和的哈勃常数。正文中提到的哈勃常数,需要这么去交融。

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