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宇宙真正膨胀的速度有多快? 一颗爆炸恒星的多种观点提出了新问题

宇宙真正膨胀的速度有多快? 一颗爆炸恒星的多种观点提出了新问题

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四个黄点中的每一个都是 Refsdal 超新星的单独图像,它位于图像中心星系团亮点的后面。 图片来源:NASA/ESA/B Kelly

我们是怎么来到这里的? 我们去哪? 它需要多长时间? 这些问题与人类本身一样古老,如果宇宙其他地方的其他物种真的问过这些问题,它们可能比这更古老。

它们也是我们在宇宙研究中试图回答的一些基本问题,这就是所谓的宇宙学。 一个宇宙学困境是宇宙膨胀的速度有多快,这是用一个叫做哈勃常数的数字来衡量的。 它周围有很大的紧张局势。

在我的明尼苏达大学同事帕特里​​克·凯利 (Patrick Kelly) 领导的两篇新论文中,我们成功地使用了一种新技术——涉及来自一颗爆炸恒星的光,它通过膨胀宇宙中的多条曲折路径到达地球——来测量哈勃常数。 论文发表于 科学 天体物理学杂志.

如果我们的结果不能完全解决紧张局势,它们会为我们提供另一条线索——以及更多的问题要问。

标准蜡烛和膨胀的宇宙

我们从 1920 年代就知道宇宙在膨胀。

1908 年左右,美国天文学家 Henrietta Levitt 找到了一种方法来测量一种称为造父变星的恒星的固有亮度——不是它们从地球上看有多亮,这取决于距离和其他因素,而是它们实际上有多亮。 造父变星以规律的周期变亮和变暗,莱维特证明了固有亮度与这个周期的长度有关。

现在称为莱维特定律,科学家们可以将造父变星用作“标准蜡烛”:内部亮度已知的物体,因此可以计算它们的距离。

这是如何运作的? 想象一下,现在是晚上,你站在一条又长又黑的街道上,几根灯柱沿着这条路延伸。 现在想象一下,每个灯柱都有相同类型的相同功率的灯。 你会注意到远处的那些看起来比近处的要弱。

我们知道,光的衰减与其距离成正比,这就是光的平方反比定律。 现在,如果你能测量每盏灯对你来说有多亮,如果你真的知道它有多亮,那么你就能知道每根灯杆有多远。

1929 年,另一位美国天文学家埃德温·哈勃 (Edwin Hubble) 能够在其他星系中找到许多这样的造父变星,并测量它们之间的距离——根据这些距离和其他测量结果,他能够确定宇宙正在膨胀。

不同的方法给出不同的结果

这种标准烛光法是一种强大的方法,因为它使我们能够测量浩瀚的宇宙。 我们一直在寻找可以在更远的距离更好地测量和观察的不同蜡烛。

对一颗超新星的多次观测——跨越时间和空间——让科学家们能够测量宇宙膨胀的速度。 信用: P.L. Kelly 等人,科学 10.1126/science.abh1322 (2023),作者介绍

最近一些测量远离地球的宇宙的努力,例如我参与的 SH0ES 项目,由诺贝尔奖获得者 Adam Riess 领导,使用了 kyphids 以及一种称为 Ia 型超新星的爆炸星,它也可以用于作为标准的烛光超新星。

还有其他测量哈勃常数的方法,例如那些使用宇宙微波背景的方法——大爆炸后不久开始穿过宇宙的光或辐射。

问题是这两个测量值,一个是使用超新星和 kevidids 近距离测量,另一个是使用微波背景距离很远,相差大约 10%。 天文学家将这种分歧称为哈勃张力,他们正在寻找新的测量技术来解决它。

新方法:引力透镜

在我们的新工作中,我们成功地使用了一种新技术来测量宇宙的膨胀率。 这项工作是基于一颗名为 Supernova Refsdal 的超新星。

2014 年,我们的团队观察到了同一颗超新星的多张图像——这是第一次观察到这种“透镜状”超新星。 哈勃太空望远镜没有看到一颗超新星,而是看到了五颗!

这是怎么发生的? 超新星发出的光向四面八方发射,但它穿过被巨大星系团的巨大引力场扭曲的空间,弯曲了部分光路,最终通过多条路径到达地球。 . 我们遇到的每颗超新星都是一条穿越宇宙的不同路径。

想象一下,三列火车同时离开同一个车站。 然而,一个人直奔下一站,一个人穿越群山,一个人穿越海岸。 他们都离开并到达相同的车站,但他们的旅程不同,因此虽然他们同时离开,但他们将在不同的时间到达。

所以我们的镜头图像显示的是同一颗超新星,它在某个时间点爆炸,但每张图像的传播路径不同。 通过观察每颗超新星出现在地球上的情况——其中一次发生在 2015 年,在爆炸的恒星被发现之后——我们能够测量它们的旅行时间,从而测量出在出现时宇宙增长了多少中转。

我们到了吗

这为我们提供了一种不同但独特的宇宙增长衡量标准。 在研究论文中,我们发现这种测量更接近于宇宙微波背景的测量,而不是造父变星和附近超新星的测量。 然而,根据它的位置,它应该更接近造父变星和超新星的测量。

虽然这根本不能解决争论,但它确实给了我们另一条线索供我们考虑。 超新星值可能存在问题,我们对可应用于透镜的星系团和模型的理解,或其他完全不同的东西。

就像公路旅行中汽车后座的孩子们问“我们到了吗”一样,我们仍然不知道。

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