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让科学家为难的宇宙延迟速率

发布日期:2024-02-09 19:41    点击次数:132

  几十年来,天文体家一直在为宇宙延迟的速率争论不停。如今有东说念主怀疑,他们测量空间距离的秩序是否一直有误?

  人所共知,宇宙正在延迟。关于一个延迟着的宇宙,有一个数卓越贫穷,它界说了宇宙的延迟速率,决定了宇宙的年岁,并决定了宇宙的最终交运。这个数即是哈勃常数。

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  哈勃常数以好意思国天文体家哈勃的名字定名。哈勃在1929年第一个发现,咱们周围的星系王人在离开咱们,况兼离开速率与星系的距离成正比,用公式抒发即是V=HD,其中V、D诀别为星系的速率和距离,H即是哈勃常数。哈勃常数表征宇宙延迟的速率(见小贴士:为什么哈勃常数表征宇宙延迟速率)。

  奈何测量哈勃常数?

  既然哈勃常数如斯贫穷,天文体家天然要万分戒备肠去测量它。可这恰是事情变得辣手的驱动。

  因为H=V/D,是以要笃定哈勃常数,需要测量天体的速率和距离。测量天体的速率相对好办,当一个天体远隔咱们时,它发出的光波到达地球时,波长会变长。这一模式叫“多普勒红移”。把柄红移量不错相称精准地测出天体远隔咱们的速率。事实上,当今公路上监视器对行驶中的车辆测速,把柄的即是这一旨趣。

  测量天体的距离真理上也很简便。咱们知说念,光的亮度与距离的深广成反比,是以唯有把一个天体的真的亮度(恒星自身的辐射强度,不斟酌距离影响的十足亮度)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:率先,奈何知说念一个天体的真的亮度?其次,远方天体的光到达地球,如故相称昏黑,奈何把它的视亮度测量准确?

  为了处罚这两个问题,天文体家在测量宇宙空间距离的时候,经常选拔那些相对比较亮,同期又究诘得比较透澈的天体,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,把柄其视亮度的周期性变化,能推算出它们到底有多远。Ia型超新星的真的亮度表面上可权衡,把柄其视亮度也能推算出它的距离。

  互相矛盾的哈勃常数

  这么,把柄红移量咱们测出了天体远隔咱们的速率,又把柄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,但对视亮度的测量照旧存在很大的舛讹,原因是在很长一段时间里,天文图像王人是通过千里镜将爽快投射到胶片上拍摄的,而靠这些图像测量天体的视亮度,舛讹很大。这么得到的哈勃常数天然舛讹也很大。是以,之前对哈勃常数有两个估算值,两者险些收支一倍,一个是100(km/sec)/mpc,另一个是50(km/sec)/mpc,诀别来自两个巨擘东说念主物。两边各执一端,堕入一场横蛮的争论。

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  到了1990年代,数码录像驱动彻底更动悉数这个词天文体,数码录像能让咱们得到比之前高得多的明晰度。是以,哈勃天外千里镜辐照见效之后,好意思国加州卡内基天文台温迪·弗里德曼引诱的团队诈欺哈勃天外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本领更先进,哈勃常数似乎应该到此一槌定音,但故事并莫得限制。

  造父变星和Ia型超新星并不是测量哈勃常数的唯独秩序。天文体家也不错诈欺宇宙微波布景辐射(CMB)来权衡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。当初它们原本王人是波长极短的光波,但跟着宇宙延迟,波长被拉长。因为波长的拉长跟宇宙延迟联系,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,咱们不错平直得到哈勃常数;而不雅测CMB,咱们需要将其输入到宇宙学的圭臬模子智商运筹帷幄出哈勃常数。他们运筹帷幄的成果是67(km/sec)/mpc。

  两个数值很接近,是不是?没错,但照旧有点差距。两方的科学家王人乐不雅地合计,唯有两边不竭请示精度,差距就会裁减,两者趋于一致。但没猜度,当他们真这么作念的时候,差距并莫得裁减,况兼更糟的是,以前差距好赖还不错用舛讹来应酬畴昔,当今却没法再用舛讹来讲明了。

  这个由两种不同秩序得到的哈勃常数的不一致,叫哈勃突破。这个突破最近几年一直在困扰着天文体家。

  新的测量距离的秩序

  固然矛盾的两边王人值得怀疑,但大大王人天文体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本人并不成平直告诉咱们哈勃常数,咱们必须将其输入到宇宙学的圭臬模子智商运筹帷幄出哈勃常数。圭臬模子是把柄广义相对论征战起来的,内部包含了好多内容,包括暗物资的影响等。这个模子在讲明宇宙方方面面的事情上,迄今运作得很见效。但宇宙学家们个个王人是“恶意眼”,巴不得它出事。它一出事,阐明这个模子并非圆善,意味着今后他们有事情干了。在这场哈勃突破中,CMB测量本人又詈骂常精准、力排众议的,他们有时不错去怀疑圭臬模子自身。是以近些年来,他们建议许多建议,什么广义相对论不行啦,什么宇宙中可能包含有某种罕有乖癖的东西啦,等等。

  但好意思国加州的弗里德曼却出类拔萃,她的怀疑眼神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消弱,因此需要寻找另一种类型的测量来考据。这即是为什么她转向另一类天体——红巨星——的原因。

  红巨星是恒星毁灭到后期所资格的“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称广宽,是以极为亮堂。或者在50亿年后,太阳也会干预红巨星阶段。其时,太阳延迟,金星和水星王人会被归拢。

  红巨星比造父变星简便,咱们对决定它们真的亮度和情态的物理学也有很好的了解。天文体家用红巨星来测量距离如故有很长一段时间了,但因为它们比造父变星暗,是以其后不受迎接。当今,跟着天外千里镜的改造,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:造父变星经常聚积在星系的中心肠带,哪里恒星和尘埃多,它们的爽快容易被袒护;而好多红巨星处于星系的边际地带,哪里的侵扰少。

  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引诱的团队测得的哈勃常数最新值是69.8(km/sec)/mpc——有时介于之前的两个值73和67之间。这给处罚哈勃突破带来了但愿。

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  天然,新的数值跟CMB的67还有少许小差距。弗里德曼寄但愿于通过2021年底升起的詹姆斯·韦伯天外千里镜的测量来弥补。

  与哈勃天外千里镜比拟,韦伯天外千里镜不错不雅察到更远的天体,况兼与哈勃天外千里镜不同的是,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。

  要是,哈勃突破能通过新的测量得到处罚,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所在出了极度,致使逼着咱们再行扫视暗能量是否存在的问题,因为暗能量是为了讲明宇宙延迟加快而建议来的,而天文体家之是以得出“宇宙延迟在加快”的论断,又是征战在对造父变星、Ia型超新星的测量基础之上的。

  而关于那些但愿看到圭臬模子难看的东说念主来说,怕是要失望了。

  为什么哈勃常数表征宇宙延迟速率

  固然字面上王人是“速率”,但宇宙延迟的速率跟经常所说的物体浮现的速率,是两个见地。举个例子,篮球在空间浮现,对应的是浮现速率;而篮球充气延迟,对应的是延迟速率。

  在天文体上,用1个mpc(百万秒差距,天文体上的长度单元,相称于326万光年)的空间距离在1秒内被拉长的增量来暗示宇宙延迟速率。

  这是什么真理呢?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。要是把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秒内拉长些许厘米算作橡皮筋的延迟速率。前边说的那根橡皮筋,1米的一段实质上被拉长了20厘米,是以延迟速率是“每秒20厘米每米”。相似真理,在天文体上斡旋端正 “每百万秒差距的空间距离”在1秒内的增量,算作宇宙延迟速率,其单元是(km/sec)/mpc(千米/秒/百万秒差距)。

  在对宇宙延迟速率作念了这么的界说之后,你会发现,当宇宙匀速延迟时(即保握延迟速率不变),任何少许离开中心的速率,王人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=宇宙延迟速率×天体离开中心的距离,而这有时即是哈勃定律V=HD。是以,哈勃常数实质上即是宇宙延迟速率。

  咱们再来看另一个问题。二十多年前,天文体家不是还发现宇宙延迟正在加快吗?又该奈何交融“宇宙延迟正在加快”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,事实是它们在畴昔所发出的光。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,事实上亦然宇宙畴昔某个时间的延迟速率。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,宇宙当今比畴昔延迟得快,或者说宇宙延迟在加快。

  既然宇宙延迟在加快,按真理说,各个时期的哈勃常数也不一样,宇宙莫得一个斡旋的哈勃常数。不外,宇宙延迟加快并不彰着,咱们雷同地把它看作是在匀速延迟,是以宇宙岂论在畴昔照旧当今,王人有一个斡旋的哈勃常数。正文中提到的哈勃常数,需要这么去交融。

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