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哈勃数据显示“奇怪的事情”正在发生

代表宇宙在 137.7 亿年的过程中的演化。 最左边描绘了我们现在可以探索的第一个时刻,当时一段“通货膨胀”引发了宇宙的指数增长浪潮。 (该图中的格子的垂直延伸部分描绘了体积。)在接下来的数十亿年中,随着宇宙中的物质被引力推向自身,宇宙的膨胀逐渐减慢。 最近,随着暗能量的排斥效应开始主导宇宙的膨胀,膨胀又开始加速。 图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心

三个十年的太空望远镜观测汇聚在哈勃常数的精确值附近

科学史将记载,寻找宇宙膨胀率是二十世纪宇宙学的伟大圣杯。 如果没有任何关于空间膨胀、收缩或稳定性的观测证据,我们将没有证据表明宇宙是来了还是去了。 此外,我们也不知道他的年龄——或者实际上,如果宇宙是永恒的。

这项探测的第一项工作是在一个世纪前,美国天文学家埃德温·哈勃在我们的银河系之外发现了无数的星系, 银河系. 星系不是静止的。 哈勃发现,一个星系离我们越远,它离开我们的速度似乎就越快。 这可以理解为空间的有规律的扩展。 哈勃甚至说他只是将星系研究为“空间的迹象”。 然而,他对宇宙均匀膨胀的想法并不完全信服。 他怀疑他的测量结果可能是宇宙中发生其他奇怪事情的证据。

“你可以从望远镜和宇宙倾斜标记的黄金标准中获得最准确的宇宙膨胀率测量值。” – 诺贝尔奖获得者亚当·里斯

在哈勃之后的几十年里,天文学家一直在努力确定能够产生宇宙真实年龄的膨胀率。 这需要建造一系列的宇宙距离阶梯,这些阶梯的来源是天文学家对内部亮度有合理信心的来源。 最亮的,因此离倾斜标记最远的是 Ia型超新星.

什么时候 哈勃太空望远镜 1990 年发射的宇宙膨胀速度一直如此不确定,以至于它的年龄可能短至 80 亿年,也可能长达 200 亿年。

在利用哈勃望远镜非凡的观测能力进行了 30 年的细致工作后,几个天文学家团队已将膨胀率缩小到略高于 1% 的精度。 这可以用来预测宇宙将在 100 亿年内扩大一倍。

测量结果比哈勃望远镜的预期功率准确约八倍。 但对于宇宙学家来说,它已经不仅仅是一个数字改进。 与此同时,将宇宙推开的暗能量的秘密已经被发现。 更复杂的是,当前的膨胀速度与宇宙在大爆炸后不久出现时的预期不同。

你认为这会让天文学家感到沮丧,但相反,它为发现新物理学打开了大门,并面对关于宇宙基本运作的意想不到的问题。 最后,提醒我们在明星中我们有很多东西要学。

哈勃太空望远镜星系群

这组来自美国宇航局哈勃太空望远镜的 36 幅图像包含同时拥有造父变星和超新星的星系。 这两种天体现象是天文学家用来确定天文距离的重要工具,它们已被用来改进我们对哈勃常数(宇宙膨胀率)的测量。
此图像中显示的星系(上排,从左到下排,右)是:NGC 7541、NGC 3021、NGC 5643、NGC 3254、NGC 3147、NGC 105、NGC 2608、NGC 3583、NGC 3147、Mrk 1337、NGC 5861, NGC 2525, NGC 1015, UGC 9391, NGC 691, NGC 7678, NGC 2442, NGC 5468, NGC 5917, NGC 4639, NGC 3972, 天线星系, NGC 5584, M106, NGC 7250, NGC 33442, NGC 5728 、NGC 1559、NGC 3982、NGC 1448、NGC 4680、M101、NGC 1365、NGC 7329 和 NGC 3447。
图片来源:NASA、ESA、Adam J. 里斯 (STScI, JHU)

哈勃在宇宙膨胀率之谜中达到新的里程碑

美国国家航空航天局哈勃太空望远镜完成了近 30 年的马拉松,校准了 40 多个空间和时间的“英里标记”,让科学家们能够准确计算宇宙的膨胀率——随着情节的展开,这是一项任务。

对宇宙膨胀率的追求始于 1920 年代天文学家 Edwin B. 哈勃和乔治·勒梅特。 1998年,这导致了“暗能量一种神秘的驱动力正在加速宇宙的膨胀。近年来,得益于哈勃望远镜、其他望远镜和天文学家的数据 我发现了另一个奇怪的转折:在局部宇宙中测量的膨胀率与在正确距离的独立观测值之间的差异 .大爆炸,它预测不同的膨胀值。

这种矛盾的原因仍然存在 . 但是哈勃的数据,包括各种作为距离标记的宇宙物体,支持了一些奇怪的事情正在发生的想法,可能涉及全新的物理学。

太空望远镜科学研究所 (STScI) 和马里兰州巴尔的摩市约翰霍普金斯大学的诺贝尔奖获得者亚当里斯说:“你可以从望远镜和宇宙倾斜标记的黄金标准中获得最准确的宇宙膨胀率测量值。” .

Reiss 正在领导一项研究宇宙膨胀速度的科学合作项目,名为 SHOES,它代表超新星、H,以均衡暗能量状态。 “这就是哈勃太空望远镜的目的,使用我们所知道的最好的技术来做到这一点。这可能是哈勃所做的最伟大的事情,因为哈勃需要再过 30 年的生命才能使这个样本的大小翻倍,”雷斯说。

Reese 的团队论文,将发表在 天体物理学杂志 报告完成对哈勃常数的最大和可能最后一次更新。 新发现是之前宇宙距离标记样本的两倍多。 他的团队还重新分析了所有以前的数据,现在完整的数据集包括 1,000 多个哈勃轨道。

当 NASA 在 1970 年代制造大型太空望远镜时,其非凡的技术成本和努力的一个关键原因是能够解析造父变星,即在我们的银河系和外星系中看到的周期性变亮和变暗的恒星。 自从天文学家 Henrietta Swan Leavitt 在 1912 年发现它们的用途以来,造父变星一直是宇宙倾斜标记的黄金标准。为了计算更大的距离,天文学家使用称为 Ia 型超新星的爆炸恒星。

总的来说,这些物体在宇宙中建立了一个“宇宙距离阶梯”,这是测量宇宙膨胀率所必需的,在埃德温·哈勃之后被称为哈勃常数。 这个值对于估计宇宙的年龄至关重要,并为我们对宇宙的理解提供了重要的检验。

从 1990 年哈勃发射后立即开始,由两个团队进行了第一组造父变星观测以改进哈勃常数:由 Wendy Friedman、Robert Kennicott、Jeremy Mold、Mark Aaronson 和另一个团队领导的 HST 关键项目Alan Sandage 和合作者,他们使用造父变星作为地标来改进测量与附近星系的距离。 到 2000 年代初,团队通过达到 健康 哈勃常数为 10%,每兆秒差距 72 正负 8 公里/秒。

2005 年和 2009 年,在哈勃望远镜上增加了强大的新相机,启动了正在进行的“第二代”哈勃搜索,团队着手将值提高到仅 1% 的准确度。 这是由 SHOES 打开的。 包括 SHOES 在内的几个使用哈勃望远镜的天文学家团队已经将哈勃常数值收敛到 73 正负 1 公里每秒每兆秒差距。 虽然已经使用其他方法来研究哈勃常数问题,但不同的团队已经提出了接近相同数字的值。

SHOES团队包括约翰霍普金斯大学的袁文龙博士、德克萨斯农工大学的Lucas Macri博士、STScI的Stefano Casertano博士和杜克大学的Dan Scolnic博士等高级领导。 该项目旨在通过匹配从研究中推断出的哈勃常数的准确性来限制宇宙 宇宙微波背景 来自宇宙黎明的辐射残留物。

“哈勃常数是一个非常特殊的数字。它可以用来缝合从过去到现在的一根针,全面检验我们对宇宙的理解。谈到 SHOES 团队的工作,ICREA 的宇宙学家 Licia Verdi 博士说ICC-巴塞罗那大学表示,“这需要大量的工作。详细”。

该团队用哈勃望远镜测量了 42 个超新星迹象。 由于它们被视为以每年大约 1 次的速度爆炸,因此哈勃已经记录了尽可能多的超新星来测量宇宙的膨胀。 “我们拥有过去 40 年来哈勃望远镜可以观测到的所有超新星的完整样本,”里斯说。 就像百老汇音乐剧“堪萨斯城”的歌词 俄克拉荷马州,哈勃“像毛皮一样旋转,你不能去!”

奇怪的物理学?

预计宇宙的膨胀速度比哈勃实际看到的要慢。 通过将宇宙标准宇宙模型与欧洲航天局普朗克任务(在 138 亿年前观测到剩余的宇宙微波背景)进行的测量相结合,天文学家预计哈勃常数的值会更低:67.5 正负 0.5 公里/每百万秒差距秒,而 SHOES 团队成绩为 73。

里斯说,鉴于哈勃望远镜的样本量很大,天文学家由于不幸的云而出错的几率只有百万分之一,这是认真对待物理学问题的常见门槛。 这一发现解开了正在成为一幅美丽而整洁的宇宙动态演化图景。 天文学家无法解释局部宇宙与原始宇宙的膨胀率之间的脱节,但答案可能包括额外的宇宙物理学。

这些令人困惑的发现让像里斯这样的宇宙学家的生活更加令人兴奋。 三十年前,他们开始测量哈勃常数来测量宇宙,但现在它变得更有趣了。 “实际上,我并不真正关心缩放值具体是什么,但我喜欢用它来了解宇宙,”里斯补充道。

美国宇航局的新韦伯太空望远镜将扩展哈勃的工作,在比哈勃能看到的更远距离或更高分辨率下显示宇宙特征的迹象。

参考:“哈勃太空望远镜和 SH0ES 团队对哈勃常数局部值的总体测量,不确定性为 1 km/sec/Mpc”,作者:Adam J. Pruitt、Stefano Casertano、David O. Jones、Yuki Murakami、Louise Préval、Thomas J. Brink、Alexei F. Filippenko、Samantha Hoffman、Saurabh W. Jha、W. Darcy Kenworthy、John McInty、Benjamin E. Stahl、Weikang Cheng、马克布尔, 天体物理学杂志.
arXiv:2112.04510

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哈勃太空望远镜是 NASA 和欧洲航天局 (ESA) 之间的国际合作项目。 该望远镜由位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心运营。 位于马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所 (STScI) 开展哈勃科学业务。 STScI 由华盛顿特区的天文学研究大学联盟为 NASA 运营