宇宙学危机!

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以加州大学戴维斯分校(UC Davis)为首的一群天文学家获取得新数据显示,宇宙的膨胀速率比原本预测更快。

以加州大学戴维斯分校(UC Davis)为首的一群天文学家获取得新数据显示,宇宙的膨胀速率比原本预测更快。

这项研究结果正好发表在一连串关于宇宙膨胀到底有多快的激烈争论当中,更让「’宇宙膨胀速率到底是多少』画上一个巨大的问号」,研究团队表示。

该结果已发表于英国皇家天文学会月刊,论文第一作者陈之藩,于2013年时是中研院天文所/台大硕士班学生,目前即将由美国加州戴维斯分校博士班毕业。 陈之藩表示,在台大攻读硕班时,前中研院天文所的苏游瑄教授(现任职于马克斯普朗克天文研究院,为慕尼黑工业大学助理教授,同时也是中研院天文所访问学者) 和台 大阙志鸿教授给了他一个很有趣也很有挑战的题目:利用调适性光学望远镜的重力透镜影像来测量宇宙膨胀的速率,没想到我当时一头栽进去就一直到现在;我们最新研究结果显示, 由时间差的重力透镜方法量测出的宇宙膨胀速率比理论预期的快,也和诺贝尔物理学奖得主亚当·黎斯利用超新星爆炸量出的宇宙膨胀速率吻合。 当两种完全独立的方法得到一样的结果,让目前许多顶尖的天文和宇宙学家开始相信,这不是测量上的误差,而是我们对宇宙的认识不足。 」

UC Davis团队对哈伯常数(即宇宙膨胀速率)的新测量,采用的方法与以往不同,是结合NASA的哈伯太空望远镜(HST)与凯克天文台(Keck)的调适性光学系统(AO),去观测了3个重力透镜系统,这也是首次使用地面望远镜AO技术获取哈伯常数。

论文共同作者,UC Davis物理系教授Chris Fassnacht说,「我从20多年前就开始研究哈伯常数的问题,当时可用的仪器有限,我们能从观测中获得的有用资料数量也不多。 在这次研究计划中,我们使用凯克天文台的AO第一次做出完整的分析。 我一直觉得AO观测应该对这方面的探讨能有很多贡献。 」

该团队这次采用盲分析来排除任何可能的人为误差,也就是在分析过程中把答案隐藏起来,团队成员们也不知道测量到的宇宙膨胀速率是多少,直到确认可能的系统误差都全部考虑完整,最后答案才在全部成员的同意下揭晓。 这样可以防止他们潜意识里为了得到所谓的「正确」值而做任何调整、防范可能人为所产生的偏差。

陈之藩说,团队成员一开始就有一个共识,「当团队把所有可能出现的系统误差都完整考虑而揭晓结果时,不管那个数值是多少,我们都必须发表,即使是个很疯狂的数字。 所以在最后答案揭晓的一刻,确实非常紧张刺激。 」

结果,解盲所揭露的值,与哈伯望远镜利用「邻近」天体测量的结果一致;这种直接测量宇宙加速膨胀速度的许多种方法,而目前最精确的两种方法其中之一是透过地球附近的Ia型超新星做的测量,另一种是重力透镜系统时间差的方法,陈之藩团队的盲分析中用的是重力透镜系统得到的数值。

这个团队的研究结果更进一步对宇宙学标准模型存在问题提供了证据。 按照宇宙学标准模型,宇宙在早期膨胀速度非常快,然后由于暗物质的引力,膨胀速度减慢,现在由于暗能量 (一种神秘的能量),膨胀再次加速。

通常宇宙膨胀历史的模型是用传统的哈伯常数来解释,该哈伯常数的数值是来自于天文学家对宇宙开始时残留的宇宙微波背景辐射 (CMB) 的「远距」观测,但此数值需要假设宇宙学标准模型才能推导出来。 (「远」距的意思是138亿年前的宇宙相对于目前的宇宙。 )

近年来许多研究团队开始使用不同的技术并研究宇宙的不同部分来测量哈伯常数,发现所观测到的「本地」值与观测到的「远距」值,不一致。

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宇宙学标准模型。 IMAGE CREDIT: BICEP2 COLLABORATION/CERN/NASA。

苏游瑄教授表示,「这是所谓宇宙学的一个危机,哈伯常数在早期和晚期宇宙间的差异意味着在我们目前的标准模型中缺少一些东西,譬如说,可能是奇特的暗能量,或者一种新的相对论粒子,或其他一些尚未被发现的新物理学。 」

陈之藩团队使用凯克II望远镜上的第二代(NIRC2)近红外照相机和该天文台的AO系统,获得了3个著名的透镜效应类星体系统的本地测量数据,也就是PG1115+ 080、HE0435-1223和RXJ1131-1231等3个系统。

类星体是宇宙中很明亮又遥远的天体。 贪婪吞噬周围物质的超大质量黑洞提供了类星体强大能量,以光速发出闪烁的喷流。

重力透鏡現象就像自然界裡的放大鏡,天文學家能藉它來偵測類星體。當距離地球較近的某一質量夠大的星系擋住了來自一個非常遙遠的類星體的光線時,這個星系就可以充當透鏡;重力場彎曲了空間本身,使背景類星體的光線彎曲形成多幅圖像,且看起來格外明亮。

由於類星體的亮度不時會閃爍,加上每一幅圖像裡的類星體到望遠鏡的路徑長度都略有不同,所以每幅圖像的閃爍出現的時間也略有不同——並不是一律在同一時間抵達地球。

陳之藩團隊透過HE0435 -1223、PG1115+ 080、RXJ1131-1231這3個系統仔細測量了這些時間延遲,由於這些時間延遲是和哈伯常數的值成反比,所以天文學家藉此可以「解碼」來自這些遙遠類星體的光,並收集有關光在行進過程中宇宙膨脹了多少的資訊。

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由左至右,三個有著多重透鏡效應的類星體系統,分別是:HE0435 -1223、PG1115+ 080、RXJ1131-1231 (IMAGE CREDIT:G. CHEN, C. FASSNACHT, UC DAVIS )

陳之藩說:「利用重力透鏡來測量哈伯常數的最重要條件之一,就是具備高靈敏度和高解析度的成像能力。」「在我們的成果發表之前,利用重力透鏡來量測最精確的哈伯常數基本上都是使用哈伯太空望遠鏡提供的資料。在這個研究裡面我們發現了兩件事。首先,我們的值與以前基於HST資料的測量值一致,這證明AO的數據影像在未來可以成為HST數據影像的另一種選擇,提供天文研究所需資料。其次,結合AO和HST影像,得到的結果更精確。」

「如果更多的測量持續顯示一樣的結果,我們將會改寫人類對於宇宙的瞭解,也會對宇宙有更深的認識。」

本項研究結果已於2019年10月23日由Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 發表。篇名:A SHARP view of H0LiCOW: H0 from three time-delay gravitational lens systems with adaptive optics imaging

論:為:杰夫C-F陈,克里斯托弗D法斯纳赫特,雪莉H苏玉,克里斯蒂安E鲁苏,詹姆斯H陈, 肯尼思·黄、马修·W·奥格、斯特凡·希尔伯特、维维安·邦文、西蒙·伯勒、马丁·米隆、莱昂五世·库普曼斯、大卫·拉加图塔、约翰·麦基安、西蒙娜·维盖蒂、弗雷德里克·库尔宾、丁旭恒、阿莱克西·哈尔科拉、因·吉、阿诺瓦尔·沙吉布、多米尼克·斯卢斯、亚历山德罗·松嫩费尔德、托马索·特雷乌

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