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

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 和 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。

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。