宇宙膨胀有多快?宇宙学家变得更加困惑

在这十年的大部分时间里,关于宇宙膨胀率的两个最精确的衡量标准一直存在明显分歧。现在,宇宙学家希望能够解决难题的一项备受期待的独立技术反而加剧了混乱。

在7月16日公布的结果1中,该结果由《天体物理学杂志》刊登,由伊利诺伊州芝加哥大学的天文学家温迪·弗里德曼(Wendy Freedman)领导的团队提出了一种利用红巨星测量膨胀的技术。它曾经承诺要取代一个天文学家使用了一个多世纪的方法。但是目前,速度测量未能解决争议,因为它介于两个有争议的值之间。

一位天体物理学家对这篇论文说:“宇宙在这一点上只是在惹我们,对吧?”

弗里德曼对《自然》杂志说:“现在,我们正试图了解它们之间是如何融合在一起的。”如果无法解决宇宙速度的差异,那么宇宙学家用来解释其数据的一些基本理论(例如关于暗物质性质的假设)可能是错误的。弗里德曼说:“基本物理处于平衡之中。”

宇宙车速表

美国天文学家爱德温·哈勃(Edwin Hubble)等人在1920年代发现宇宙正在膨胀,这表明大多数星系正在从银河系中退缩-距离越远,它们退缩的速度就越快。速度与距离之间大致恒定的比率称为哈勃常数。哈勃发现,每增加1兆帕秒的距离(约326万光年),星系便以每秒500公里的速度每秒钟下降500英里-因此哈勃常数为500千米/秒。

几十年来,随着测量技术的改进,天文学家大幅下调了估算值。弗里德曼(Freedman)在1990年代率先使用哈勃太空望远镜(合适地)测量哈勃常数,并计算出约72的值,误差范围约为10%。由马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学诺贝尔奖获得者亚当·里斯(Adam Riess)领导的团队迄今为止进行了最精确的测量,其最新值为74,误差幅度仅为1.91%2。

但是在过去的十年中,一项单独的工作使扳手投入了工作。欧洲航天局执行普朗克任务的科学家绘制了宇宙大爆炸的遗迹辐射,称为宇宙微波背景,并用它来计算宇宙的基本特性。他们使用关于宇宙的标准理论假设,得出哈勃常数为67.8。

67.8和74之间的差异似乎很小,但随着两种技术的改进,它在统计上已变得很显着。因此,理论家开始怀疑差异的原因是否在于称为ITSCDM的宇宙学标准理论,该理论假设存在暗物质的隐形粒子以及称为暗能量的神秘排斥力。但是他们一直在努力寻找一种可以解决问题并且仍然与关于宇宙的一切知识保持一致的理论调整。芝加哥大学的宇宙学家罗基·科尔布(Rocky Kolb)表示:“很难看蚂蚁CDM,看看松线在哪里,如果将它们拉开,它们就会解开。”

Freedman技术更新了已建立的哈勃测量方法的关键要素,并产生了69.8的值。

测量哈勃常数的困难部分是可靠地测量星系的距离。哈勃望远镜最初的估计取决于通过观测被称为造父变星的明亮的恒星来测量附近星系的距离。天文学家亨利埃塔·斯旺·莱维特(Henrietta Swan Leavitt)在20世纪初发现这些恒星的实际亮度是可以预测的。因此,通过测量它们出现在照相板上的亮度,她可以计算出星星的距离。天文学家称这类路标为标准蜡烛。

但是自那以后,研究人员一直在努力寻找比造父变星更好的标准蜡烛,造父变星往往存在于拥挤且充满灰尘的区域,这些区域可能会使亮度的估计值失真。弗里德曼(Freedman)说:“我们必须深入研究这一问题的唯一方法就是拥有独立的方法,到目前为止,我们对造父变星没有任何检查。”造父变星测量的精度和准确性。科尔布说:“他知道所有尸体都埋在哪里。”

弗里德曼和她的同事们完全避开了造父变星,取而代之的是将红色巨人(已经膨胀的老恒星)与超新星爆炸一起用作标准蜡烛,这些超新星爆炸是更遥远星系的路标。

巨型计算

红色巨人比造父变星更常见,并且很容易在星系的外围区域发现,在这些星系中,恒星彼此间隔得很好,而尘埃也不成问题。它们的亮度相差很大-但总体上看,银河系的巨型巨人具有得心应手的功能。恒星的亮度在数百万年之前一直增加,直到达到最大值,然后突然下降。当天文学家根据颜色和亮度绘制出一大群恒星时,红色巨人看起来像一团点有尖锐边缘的点云。然后,该边缘处的星星可以用作标准蜡烛。

Freedman团队使用该技术计算了到18个星系的距离,并获得了哈勃常数的估计值,该估计值首次具有与基于造父变星的研究相当的精度。

赖斯说,红巨星的研究仍然基于对星系中尘埃数量的假设,尤其是在麦哲伦星系中,该研究以此为锚点。他说,“很难估计,我相信将会有很多关于作者的方法为什么导致对哈勃常数的较低估计的讨论。”

结果与普朗克预测和Riess Cepheid计算在统计上是兼容的,“这意味着计算的误差线重叠”,并且随着红色巨人数据的积累,技术精度将提高。科尔布说,他们可能在不久的将来击败造父变星。

指针可能会移至其他值之一。否则它可能会保留下来,而其他技术最终可能会收敛到它。目前,宇宙学家还有很多困惑的地方。

自然571,458-459(2019)

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