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让科学家为难的寰宇推广速率

发布日期:2024-02-09 20:12    点击次数:63

  几十年来,天文体家一直在为寰宇推广的速率争论握住。如今有东谈主怀疑,他们测量空间距离的体式是否一直有误?

  无人不晓,寰宇正在推广。关于一个推广着的寰宇,有一个数迥殊蹙迫,它界说了寰宇的推广速率,决定了寰宇的年齿,并决定了寰宇的最终运道。这个数便是哈勃常数。

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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,咱们周围的星系皆在离开咱们,况兼离开速率与星系的距离成正比,用公式抒发便是V=HD,其中V、D辞别为星系的速率和距离,H便是哈勃常数。哈勃常数表征寰宇推广的速率(见小贴士:为什么哈勃常数表征寰宇推广速率)。

  若何测量哈勃常数?

  既然哈勃常数如斯蹙迫,天文体家天然要万分防范肠去测量它。可这恰是事情变得难办的开动。

  因为H=V/D,是以要详情哈勃常数,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。这一兴隆叫“多普勒红移”。证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,现时公路上监视器对行驶中的车辆测速,证据的便是这一旨趣。

  测量天体的距离真义上也很苟简。咱们知谈,光的亮度与距离的闲居成反比,是以唯独把一个天体的确凿亮度(恒星自身的辐射强度,不计议距离影响的统共亮度)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:最初,若何知谈一个天体的确凿亮度?其次,远处天体的光到达地球,还是相配阴霾,若何把它的视亮度测量准确?

  为了处分这两个问题,天文体家在测量寰宇空间距离的时候,时时选拔那些相对比较亮,同期又盘问得比较透顶的天体,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,证据其视亮度的周期性变化,能推算出它们到底有多远。Ia型超新星的确凿亮度表面上可揣测,证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,证据红移量咱们测出了天体隔离咱们的速率,又证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流弊,原因是在很长一段时刻里,天文图像皆是通过千里镜将色泽投射到胶片上拍摄的,而靠这些图像测量天体的视亮度,流弊很大。这么得到的哈勃常数天然流弊也很大。是以,之前对哈勃常数有两个估算值,两者简直出入一倍,一个是100(km/sec)/mpc,另一个是50(km/sec)/mpc,辞别来自两个泰斗东谈主物。两边各执一端,堕入一场狠恶的争论。

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  到了1990年代,数码录像开动彻底蜕变通盘天文体,数码录像能让咱们取得比之前高得多的明晰度。是以,哈勃天外千里镜辐射获胜之后,好意思国加州卡内基天文台温迪·弗里德曼指令的团队运用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技巧更先进,哈勃常数似乎应该到此一槌定音,但故事并莫得法例。

  造父变星和Ia型超新星并不是测量哈勃常数的唯独体式。天文体家也不错运用寰宇微波配景辐射(CMB)来揣测哈勃常数应该是些许。

  微波配景辐射是大爆炸后留住的余辉。当初它们原来皆是波长极短的光波,但跟着寰宇推广,波长被拉长。因为波长的拉长跟寰宇推广联系,是以通过不雅测CMB,也能得到哈勃常数。但与前一种目的不同,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寰宇学的圭臬模子智力磋议出哈勃常数。他们磋议的成果是67(km/sec)/mpc。

  两个数值很接近,是不是?没错,但如故有点差距。两方的科学家皆乐不雅地以为,唯独两边链接提升精度,差距就会责难,两者趋于一致。但没料想,当他们真这么作念的时候,差距并莫得责难,况兼更糟的是,以前差距好赖还不错用流弊来打法曩昔,现时却没法再用流弊来评释了。

  这个由两种不同体式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。

  新的测量距离的体式

  天然矛盾的两边皆值得怀疑,但大多量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自己并不行径直告诉咱们哈勃常数,咱们必须将其输入到寰宇学的圭臬模子智力磋议出哈勃常数。圭臬模子是证据广义相对论拔擢起来的,内部包含了好多内容,包括暗物资的影响等。这个模子在评释寰宇方方面面的事情上,迄今运作得很获胜。但寰宇学家们个个皆是“恶意眼”,巴不得它出事。它一出事,阐发这个模子并非完好,意味着今后他们有事情干了。在这场哈勃突破中,CMB测量自己又吵嘴常精准、据理力求的,他们恰好不错去怀疑圭臬模子自身。是以近些年来,他们提议许多建议,什么广义相对论不行啦,什么寰宇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名满宇宙,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收缩,因此需要寻找另一种类型的测量来考据。这便是为什么她转向另一类天体——红巨星——的原因。

  红巨星是恒星破除到后期所阅历的“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遍及,是以极为亮堂。大约在50亿年后,太阳也会插足红巨星阶段。其时,太阳推广,金星和水星皆会被合并。

  红巨星比造父变星苟简,咱们对决定它们确凿亮度和神采的物理学也有很好的了解。天文体家用红巨星来测量距离还是有很长一段时刻了,但因为它们比造父变星暗,是以其后不受迎接。现时,跟着天外千里镜的改良,它们又从头回到了东谈主们的视线。红巨星比起造父变星有一个很大的上风:造父变星经常筹商在星系的中心肠带,那边恒星和尘埃多,它们的色泽容易被掩盖;而好多红巨星处于星系的边际地带,那边的骚动少。

  差距在责难!

  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指令的团队测得的哈勃常数最新值是69.8(km/sec)/mpc——恰好介于之前的两个值73和67之间。这给处分哈勃突破带来了但愿。

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

  与哈勃天外千里镜比较,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。

  若是,哈勃突破能通过新的测量得到处分,那将促使咱们反念念之前对造父变星、Ia型超新星的测量在什么方位出了罪状,以致逼着咱们从头注视暗能量是否存在的问题,因为暗能量是为了评释寰宇推广加快而提议来的,而天文体家之是以得出“寰宇推广在加快”的论断,又是拔擢在对造父变星、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谈主来说,怕是要失望了。

  为什么哈勃常数表征寰宇推广速率

  天然字面上皆是“速率”,但寰宇推广的速率跟经常所说的物体畅通的速率,是两个看法。举个例子,篮球在空间畅通,对应的是畅通速率;而篮球充气推广,对应的是推广速率。

  在天文体上,用1个mpc(百万秒差距,天文体上的长度单元,超越于326万光年)的空间距离在1秒内被拉长的增量来示意寰宇推广速率。

  这是什么真义呢?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。

  现时,咱们界说将1米的橡皮筋在1秒内拉长些许厘米动作橡皮筋的推广速率。前边说的那根橡皮筋,1米的一段践诺上被拉长了20厘米,是以推广速率是“每秒20厘米每米”。相似真义,在天文体上协调章程 “每百万秒差距的空间距离”在1秒内的增量,动作寰宇推广速率,其单元是(km/sec)/mpc(千米/秒/百万秒差距)。

  在对寰宇推广速率作念了这么的界说之后,你会发现,当寰宇匀速推广时(即保捏推广速率不变),任何少量离开中心的速率,皆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=寰宇推广速率×天体离开中心的距离,而这恰好便是哈勃定律V=HD。是以,哈勃常数践诺上便是寰宇推广速率。

  咱们再来看另一个问题。二十多年前,天文体家不是还发现寰宇推广正在加快吗?又该若何交融“寰宇推广正在加快”这个说法呢?

  咱们知谈,光的传播需要时刻,是以咱们现时所看到的天体,事实是它们在曩昔所发出的光。天体越远,咱们现时所看到的“它”,事实上是越久远之前的“它”。咱们现时测量到的它的哈勃常数,事实上亦然寰宇曩昔某个时刻的推广速率。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,寰宇现时比曩昔推广得快,或者说寰宇推广在加快。

  既然寰宇推广在加快,按真义说,各个时间的哈勃常数也不一样,寰宇莫得一个协调的哈勃常数。不外,寰宇推广加快并不显着,咱们雷同地把它看作是在匀速推广,是以寰宇无论在曩昔如故现时,皆有一个协调的哈勃常数。正文中提到的哈勃常数,需要这么去交融。

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