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新方法可能解决宇宙学危机? 哈勃争议才刚刚开始,难道不是吗?

新的方法可能解决宇宙学危机

天文学家认为,对红巨星的最新观测可能会填补“哈勃争议”的理论空缺。

新方法可能解决宇宙学危机? 哈勃争议才刚刚开始,难道不是吗?

(图片编辑: 欧洲航天局和美国国家航空航天局)

新的数据表明,测量宇宙膨胀率的一个根本分歧可以得到解释。

在一篇新发表的论文中,研究这一难题的一位主要参与者通过研究现有的信息,得出结论: 最好的观测结果可能使我们得到宇宙随时间增长的标准图像。

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科学家们知道宇宙正在膨胀,但对于这个过程的速度有多快,十年来一直意见不一。研究者们使用宇宙微波背景辐射(CMB)(宇宙大爆炸后不久产生的余光)测量了相关数据,膨胀的哈勃常数值约为每百万光年46,200英里/小时,用宇宙学单位计量则为每百万秒差67.4公里/秒。(百万秒差距等于326万光年。)

然而,瞄准附近宇宙恒星的望远镜得出的哈勃常数值则为50400英里每百万光年(73.4千米/秒/百万秒差)。这两个数字虽然相差不大,但都很精确,彼此之间无法协调。

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这两个数字之间的矛盾一直是令研究人员头疼的问题。一些人提出,这种差异使他们不得不推翻他们青睐的宇宙模型。该模型解释了自时间破晓以来,像星系团这样的巨大宇宙结构是如何出现和进化的。也许,研究人员想知道,超越我们目前所知的新物理学可以用来弥补这一空缺。

“我认为这是一个非常有趣的问题:‘在标准宇宙学模型之外,是否存在新的物理学?’”芝加哥大学的宇宙学家温迪·弗里德曼在接受《生活科学》采访时表示。

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弗里德曼花了她职业生涯的大部分时间来观察所谓的造父变星。这些恒星有规律地跳动,它们的光波动周期与它们的内在亮度之间存在关系。通过了解这个固有亮度和从地球上看到的造父变星的光度,天文学家可以计算出它与我们的距离,然后测量宇宙在空间中那个点的膨胀速度。

造父变星的数据是哈勃常数较高值的关键之一,但弗里德曼和她的合作者一直想知道,他们的观测是否存在系统性错误。长期以来,他们一直在寻找独立的方法来证实或质疑他们的研究结果。

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几年前,她和她的同事们在巨大的红色恒星的光线中发现了一种方法。这些天体代表着与太阳质量相似的恒星的生命后期阶段,它们在演化的某一阶段达到特定的亮度峰值。就像造父变星一样,天文学家可以通过从地球上观察它们的亮度来很好地估计它们的距离。

2019年,弗里德曼和她的团队为哈勃常数提供了一个位于其他两个测量值之间的数字:每百万光年47300英里(69.8公里/秒/百万秒差)。这一结果是用大麦哲伦星云中的巨大红色恒星校准的,大麦哲伦星云是一个环绕银河系运行的矮星系,与我们的距离相对较好确定。

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从那时起,研究人员增加了更多的数据点,校准了其他三个星系和空间区域中巨型红星的距离,这提高了哈勃常数测量的精度。这些研究结果发表在预印本数据库arXiv上,并通过《天体物理学杂志》发表。这些研究结果基本上得出了相同的中间估计。

“它落在同一个地方,接近70公里/秒/百万秒差,不确定度略高于2%,”弗里德曼在谈到从红巨星估计的新哈勃常数时说。“如果我们把这些结果与宇宙微波背景辐射进行比较,我们不会说有问题。”

弗里德曼说,这些最新的红巨星测量表明,造父变星观测可能存在系统性错误。她补充说,来自宇宙的遮蔽尘埃和背景光是一些可能的罪魁祸首,但证实这一点还需要时间。

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“这项工作给我留下了深刻的印象,”加州斯坦福大学的宇宙学家西蒙·伯勒(Simon Birrer)告诉《生活科学》(Live Science)。 我虽然没有参与这个研究, 但这篇论文确实突出了观测红巨星的特殊优势,他补充道。

但是作为一个研究大质量星系如何扭曲光的团队的一员,西蒙·伯勒(Simon Birrer)提供了另一个独立的哈勃常数测量方式,他认为这个事件还没有完全结束。“这是哈勃争议结束的开始吗?我们仍在努力,”他说。

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天文学家们现在提供了许多不同的宇宙膨胀估计,有的意见一致,有的则产生了分歧。伯勒说,每个团队都在努力获得他们所能提供的最好的准确性,但目前还不清楚哪些可能包含最终答案。

弗里德曼对此表示赞同,她说她和她的同事最近已经获准使用即将问世的詹姆斯·韦伯太空望远镜来观测造父变星和红巨星。这些观测结果应该会有助于澄清一些剩余的系统不确定性,并有望更接近哈勃常数的真实值。

BY:Adam Mann

FY:Angelina Yang Gong

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