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引力透镜来“搅局” 哈勃常数有了第三个数值

来源:科技日报2019-11-12 09:41

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  今人不见古时月,今月曾经照古人。从古到今,人们头顶的星空正在“悄无声息”地发生着变化。星空为何日夜远去?宇宙为何不断膨胀?还有比这更大的谜题吗?

  近日,凯克天文台发布报告称,美国加州大学戴维斯分校的研究数据表明:宇宙的膨胀速度比预期更快。

  其实宇宙膨胀速度一直没有定论,此前各方观点就有分歧。此次新的研究更是加剧了这一矛盾。

  同一个东西,不同的结果

  1929年,埃德温·哈勃等天文学家发现,星系距我们越远,它就越快地离开我们,这被认为是关于宇宙膨胀理论的第一个观察证据,并引出了后来的“大爆炸”概念,膨胀率的值即著名的哈勃常数。哈勃常数的单位是千米/秒·百万秒差距,即如果哈勃常数为1,就表明在每300万光年的距离上,星系远离地球的速度为每秒1千米。

  “一直以来,哈勃常数都是宇宙学的关键参数。”中科院国家天文台研究员陈学雷告诉科技日报记者,“历史上,多次出现因不同方法而导致的不同测量结果。”

  陈学雷说,一种主要方法是测量离银河系较近的星系或超新星与我们之间的距离变化,得到一组参数,来推测宇宙膨胀速度;另一种方法是测量宇宙微波背景辐射,得出一个常数。这两种方法的结果并不一致。而此次新的研究方法得出的结果与前两者都不一致,且显然超出正常误差范围。

  陈学雷说,新方法的数值比以往数值更大,过去两种方法得出的哈勃常数,大多集中在67或72左右。新方法则算出哈勃常数约为74。

  在国际天文学界看来,新旧数值之间构成了难以化解的矛盾。

  旧理论新用,测多个像延迟

  理解这些测量方法并不难,核心就是:通过亮度变化测准距离。测绘员常在马路上或田野里换不同位置看同一标杆,利用视差,算出标杆到观测点的距离;天文学家干的活儿差不多,只不过看的是天体。亮度与距离的平方成反比,因此我们可以通过天体在不同观测点上的亮度差别来推算距离。

  亮度法从一出现就十分成功,当然测量越远的星系,就需要越亮的“标杆”。如今,科学家通过先测量银河系内的恒星,再测量一种很亮的天体“造父变星”,最后测量一种更亮的天体“Ia型超新星”,由近及远确定各目标的亮度变化曲线,以此算出它们的距离变化。

  宇宙微波背景辐射法,是用精确的普朗克卫星,观测宇宙诞生后38万年的初始光线,来确定人类所能看到的最远目标“宇宙天际线”的距离变化。

  此次新的方法,陈学雷解释说,核心是观察一个引力透镜系统——目标天体藏在一个大质量天体背后,由于光线被引力偏移,我们会看到多个像。因为传播距离不同,传播时间不等,观察者同时看到不同步的像,但其实都来源于目标天体。我们长时间记录它们时强时弱的亮度,确定不同观测的延迟数据,进而算出其准确距离。

  陈学雷告诉科技日报记者,这种方法二三十年前就提出了,但当时还不够成熟,需要大望远镜频繁关注引力透镜系统所在的一小片天区,过一段时间“看”一下。因为取样频次足够高,才能“画”出一条光线变化轨迹,算清延迟。

  结论无对错,有待新惊喜

  陈学雷认为,各种方法都在发展,也各有优缺点。顺便一提,比起埃德温·哈勃当年估计数值500以上,如今这些哈勃常数测算结果差异其实不大。我们的测量技巧比起百年前已经先进太多。新的引力透镜法的优点在于它是一种几何方法,不需要将目标的亮度测算得很精细。要知道,天体亮度受很多未知因素影响,测算数据容易出现误差。

  陈学雷说,哈勃常数是人们讨论最多的一个热点。大家各显神通,试图去“解答”这个难题,而结论不一致的情况已持续几十年了。当然,这些方法都是严谨并被反复验证的,并非方法有缺陷而是有一些基本问题没有解答。

  陈学雷说,现在也有人猜想,或许宇宙常数模型本身不太准确。但无论新旧观测方法,都假定宇宙是加速膨胀的,也同样引入了加速度的模型。该模型只是最简单的一种,与观测结果较为贴合,所以大家常用。

  或许,会有一条理论新路,比如通过知之甚少的粒子或暗物质、暗能量,可以更好地解释测算结果的不一致。

  或许,我们还会有更新颖的测量方法,比如利用近几年很火的引力波,从引力波波形推断目标与我们的距离。虽然现在引力波测量精度达不到要求,但未来说不定会有惊喜。

  膨胀速度不仅透露了宇宙的年龄,还可能告诉我们宇宙的归宿。测量宇宙膨胀,就好像量我们的房屋。如果不知道房子的空间多大、什么形状,住户也会一直心存猜想。(高 博)

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