宇宙膨胀的速度有多快?星系提供了一个答案

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科学家们已经发表了对哈勃常数的第一个可靠的SBF估计,将其定在73.3 km/s/Mpc:与其他局部膨胀的测量,包括使用Ia型超新星的金标准,大致相同。新的估计强调了与早期宇宙的估计的不匹配。

在天文学家发现的测量局部宇宙膨胀率的方法中,哈勃常数,表面亮度波动可能是最精确的方法之一。科学家们已经发表了对哈勃常数的第一个可靠的SBF估计,将其定在73.3 km/s/Mpc:与其他局部膨胀的测量,包括使用Ia型超新星的金标准,大致相同。新的估计强调了与早期宇宙的估计的不匹配。

膨胀的宇宙抽象概念(库存图像)。Credit: © flashmovie / stock.adobe.com

确定宇宙膨胀的速度是理解我们宇宙命运的关键,但有了更精确的数据,一个难题出现了:基于本宇宙测量的估计与138亿年前大爆炸后不久的时代推断不一致。

对局部膨胀率的新估计——哈勃常数,或H0 (h -零)——加强了这种差异。

使用一个相对较新的和潜在的更精确的技术来测量宇宙的距离,有一般的巨型椭圆星系内恒星亮度距离阶梯响,天文学家计算出率——73.3公里每秒每百万秒差距,误差2.5公里/秒/ Mpc,包括来自Ia型超新星的黄金标准的估计。这意味着距离地球每隔一百万秒差距(330万光年,或30万亿公里),宇宙就会以每秒73.3±2.5公里的速度膨胀。其他三种技术的平均速度为73.5±1.4公里/秒/Mpc。

令人困惑的是,根据测量到的宇宙微波背景波动和独立的早期宇宙中正常物质密度波动(重子声学振荡)估算的局部膨胀率给出的却是一个截然不同的答案:67.4±0.5 km/sec/Mpc。

天文学家们担心这种不匹配是可以理解的,因为膨胀率是一个关键参数在理解宇宙的物理学和演化,是理解暗能量——关键加速宇宙的膨胀率,从而使哈勃常数变化比预期更快。暗能量约占宇宙质量和能量的三分之二,但仍然是一个谜。

在新的估计中,天文学家测量了63个巨型椭圆星系的表面亮度的波动,以确定距离,并绘制出每个星系的距离与速度的关系,以获得H0。表面亮度波动(SBF)技术独立于其他技术,有可能在距离地球约100 Mpc(3.3亿光年)以内提供比其他方法更精确的距离估计,样本中的63个星系的距离在15 Mpc到99 Mpc之间,回首过去,它们的年龄仅仅是宇宙年龄的一小部分。

宇宙学家马仲培(Chung-Pei Ma)说:“对于测量星系到100百万秒差距的距离来说,这是一种奇妙的方法。”马仲培是加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)物理学教授朱迪·钱德勒·韦伯(Judy Chandler Webb),同时也是天文学和物理学教授。“为了用SBF方法研究h -零,这是第一篇收集了63个星系的大量同质数据的论文。”

Ma领导了对本地星系的大规模调查,为43个星系提供了数据——新分析中使用的星系的三分之二。

美国国家科学基金会诺伊实验室的天文学家约翰·布莱克斯利收集并分析了这63个星系的数据。他是一篇即将发表在《天体物理学杂志》上的论文的第一作者,这篇论文是他与奥勒姆犹他谷大学的同事约瑟夫·詹森(Joseph Jensen)共同撰写的。布莱克斯利领导着支持国家科学基金会光学和红外天文台的科学工作人员,他是使用SBF测量星系距离的先驱,而詹森是第一个在红外波长应用该方法的人之一。两人在分析上与马云密切合作。

“整个天文学的故事,在某种意义上,努力理解宇宙的绝对规模,然后告诉我们关于物理,“Blakeslee说,联系起来的詹姆斯·库克塔希提岛1769年的航行测量金星凌日这使得科学家可以计算出太阳系的真实规模。“SBF方法更广泛地适用于局部宇宙中进化星系的一般种群,当然,如果我们用詹姆斯·韦伯太空望远镜得到足够多的星系,这种方法有可能提供哈勃常数的最佳局部测量。”

比哈勃太空望远镜强大100倍的詹姆斯·韦伯太空望远镜计划于10月发射。

巨型椭圆星系

几十年来,哈勃常数一直是争论的焦点。自从埃德温·哈勃第一次测量了局部膨胀率,得出了一个大7倍的答案,这意味着宇宙实际上比它最古老的恒星更年轻,无论过去还是现在,问题都在于确定空间中物体的位置,而这些物体几乎无法提供它们离我们有多远的线索。

多年来,天文学家们一直在逐步研究更大的距离,他们从计算距离足够近的物体的距离开始,当地球绕太阳运行时,由于视差的影响,这些物体似乎会轻微移动,被称为造父变星的变星能让你走得更远,因为它们的亮度与变化的周期有关,Ia型超新星能让你走得更远,因为它们是非常强大的爆炸,在其顶峰时,亮度相当于整个星系,无论是造父变星还是Ia型超新星,都可以通过它们随时间变化的方式计算出它们的绝对亮度,然后根据从地球上看到的它们的表观亮度计算出它们的距离。

目前对H0的最佳估计来自遥远星系的Ia型超新星爆炸所确定的距离,不过更新的方法——遥远类星体的引力透镜效应和围绕黑洞运行的水脉波的亮度引起的时间延迟——给出的数字都差不多。

利用表面亮度波动的技术是最新的技术之一,它依赖于这样一个事实:巨大的椭圆星系是古老的,并且有一致的老恒星群体——主要是红巨星——可以建模来给出它们表面的平均红外亮度。每个星系的研究人员获得高分辨率红外图像的广角相机——哈勃太空望远镜和确定图像中每个像素多少不同的“平均”——更平稳波动在整个图像。

布雷克斯利和马都对这个膨胀率接近当地其他测量结果感到惊讶。但是,他们同样被与早期宇宙估算结果之间的明显冲突搞糊涂了。许多天文学家说,这种冲突意味着我们目前的宇宙学理论是错误的,或者至少是不完整的。

对早期宇宙的推断是基于最简单的宇宙学理论——冷暗物质(简称CDM)——它只使用几个参数来描述宇宙的演化。

“我认为这将推动更多的风险,”布莱克斯利说。“但CDM仍然存在。有些人认为,鉴于所有这些地方性的测量,观察者们是错误的。但是,要做出这样的断言越来越难了——这需要在几个不同的方法(超新星、SBF、引力透镜、水脉泽)的同一方向上存在系统误差。所以,当我们进行更多独立的测量时,风险就会越来越大。”

Ma想知道,天文学家归因于他们测量的不确定性(反映了系统误差和统计误差)是否过于乐观,也许这两个估计范围仍然可以协调。

“还没有定论,”她说。“我认为这真的是在误差条中。但假设所有人的误差条都没有被低估,这种紧张感就会变得令人不安。”

事实上,该领域的一位巨星,天文学家温迪·弗里德曼最近发表了一项研究,将哈勃常数定在69.8±1.9千米/秒/Mpc,这让情况变得更加混乱,因发现暗能量而获得2011年诺贝尔物理学奖的天文学家亚当·里斯(Adam Riess)的最新结果显示,每秒钟能量为73.2±1.3公里,里斯在加州大学伯克利分校做这项研究时是米勒博士后研究员,他与加州大学伯克利分校和伯克利实验室物理学家索尔·珀尔马特分享了该奖项。

巨大的星系

H0的新值是另外两项对附近星系的调查的副产品——特别是Ma的大规模观测,它使用空间和地面望远镜详尽地研究了距离地球100英里以内的100个最大的星系。一个主要的目标是对每个黑洞中心的超大质量黑洞进行称重。

她说,要做到这一点,需要精确的距离,而SBF方法是迄今为止最好的方法。去年,大型巡天小组用这种方法确定了一个巨大的椭圆星系NGC 1453的距离,这个星系位于南方的波江座。结合,距离1.66亿光年,广泛的光谱数据从双子座和麦当劳望远镜——允许马英九的研究生克里斯Liepold和马修Quenneville测量恒星的速度附近星系的中心,他们得出的结论是,NGC 1453的中央黑洞质量近30亿倍太阳质量。

为了确定H0, Blakeslee根据每个星系45到90分钟的HST观测时间,计算了SBF到大规模巡天中的43个星系的距离。另外20颗来自另一项利用HST拍摄大型星系的调查,特别是探测到Ia型超新星的星系。

63个星系中的大多数都在80到120亿年之间,这意味着它们包含了大量古老的红色恒星,这是SBF方法的关键,也可以用来提高距离计算的精度。在这篇论文中,Blakeslee同时使用了造父变星和一种技术,即使用星系中最亮的红巨星——被称为红巨星分支的尖端,或TRGB技术——来爬向距离很远的星系。他们产生了一致的结果。TRGB技术考虑了星系中最亮的红巨星具有相同的绝对亮度这一事实。

他说:“我们的目标是让SBF方法完全独立于造父变星校准的Ia型超新星方法,通过使用詹姆斯韦伯太空望远镜获得SBFs的红巨星分支校准。”

“詹姆斯韦伯望远镜有潜力真正减少SBF的误差条,”Ma补充说。但就目前而言,这两种不一致的哈勃常数将不得不学着相互适应。

“我并不是要测量H0;这是我们调查的伟大成果,”她说。“但我是一名宇宙学家,正以极大的兴趣观察着这一切。”

与Blakeslee、Ma和Jensen共同撰写论文的是普林斯顿大学的Jenny Greene,他是这个庞大团队的领导者,以及图森亚利桑那大学的Peter Milne,他领导了这个研究Ia型超新星的团队。该研究得到了美国国家航空航天局(HST- go -14219, HST- go -14654, HST- 15265)和美国国家科学基金(AST-1815417, AST-1817100)的资助。

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