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不得了!宇宙在加速膨胀?!

2018-07-05 10:25    

借助引力透镜的方法测定出的哈勃常数得出了的结果表明:宇宙的扩张速度将远远快于通常的标准宇宙模型。

这个优美的引力透镜系统是位于波江座的HE0435-1223。

图中四个图像组成了一个“案因斯坦十字”。它的红移量z=1.689,距离我们大约58亿光年。在其中心作为引力透镜的椭圆星系则距离我们39亿光年,红移量z=0.4546。

所有的星系都在远离我们。而且,它们距离我们越远,远离我们的速度也会越快。从这样的情况我们只能得出一个结论:宇宙会越来越大。星系在退行时,其光谱的谱线会向长波的方向移动。这种现象我们称为宇宙红移。在上世纪20年代,比利时天体物理学家Georges Lemaitre同美国天文学家Edwin Hubble一样得出了同样的结论。此后,宇宙的扩张速率就被称作哈勃常数。

如果可以精确的测量出这个数值,那么我们就能获得很多宇宙的信息:这其中包括宇宙的年龄,或者中微子的奥秘。(中微子,质量极小的电中性粒子。)借助于超新星测量得到的宇宙膨胀率表明,宇宙的尺度在较近的过去膨胀的更快,即宇宙在加速膨胀。对于这种现象的原因,是一种异于寻常的、只存在假设中的能量:暗能量。

确定哈勃常数

比如说,科学家们通过观测早期宇宙得出哈勃常数的值。当时空间里充满了炽热的不透光的等离子。只有宇宙稳定的扩张,空间的温度才会下降,才能使等离子体变成中性的气体。那时的余辉成为了如今的微波背景辐射,被我们探测到。比如说美国的威尔金森各向异性探测器 (WMAP),或者欧洲的普朗克卫星,它们用于探测空间中微波背景辐射细微的变动。由此,科学家们以如今的扩张速度重建了宇宙的模型。2016年,国际普朗克合作所发布的哈勃常数的值为67.8±0.9km/s/Mpc(Mpc:秒差距,等于3.25万光年)。

红移的远离速度

另一种方法是借助观测目标的实际光度。这其中包括一些特定类型的脉动变星,即造父变星或者超新星的爆发。它们的可视光度取决于它们与地球之间的距离。从它们所在星系的红移中能得知它们的远离速度。

2016年,美国SH0ES项目给出的哈勃常数的数值为73.2±1.7 km/s/Mpc。SH0ES是Supernovae and H0 for the Equation of State的缩写,意为超新星和哈勃常数是宇宙的方程。因此这个项目比普朗克任务更具有价值。

所属于慕尼黑技术大学,位于加兴的马克思普朗克天体物理学院的一支由Sherry Suyu领导的团队如今能用一种新的方法确定这个庞大的数值。H0LiCOW团队借助了引力透镜效应。H0LiCOW的缩写来自H0 Lenses in COSMOGRAIL’s Wellspring,即哈勃常数由COSMOGRAIL(Cosmological Monitoring of GravItational Lenses引力透镜检测)的引力透镜数据确定。

引力透镜系统

来自类星体的光芒会被星系的引力透镜效应弯曲,从而从几个不同的路径到达观察者,并在我们面前呈现出多个影像。由于路径的长度不同—在图中就是上部的路径长于下部—类星体的光度波动会在不同的时间到达观察者。

引力透镜效应指的是质量会使光线发生弯曲,类就像光学的透镜一样。因此这样就会使天体发出光线的路径发生改变。只要在一个合适的位置上,更远处的星系就会通过引力透镜呈现出多个影像。通常情况下不同的成像的光的经过时间会略有不同。在一些情况下,星系会有一个活动的核心,就是天文学家们所说的类星体。它的亮度会发生波动,由于光线到达地球经过的路径不同,导致它们达到地球所需的时间也不同,(见图)借助于透镜星系详细的质量分布,可以推算出星系与我们之间距离。

H0LiCOW团队研究了五个不同的引力透镜系统。

透镜星系将在更远处的类星体的光线扭曲成2个或4个影像。前三个系统(上部)的研究数据已被应用在哈勃常数的确定中。

研究者们观察了五个引力透镜系统,并估算了其中三个(见上图)。伴随着星系光谱的红移,这个团队最后给出了71.9±2.7km/s/Mpc的哈勃常数值。这和通过造父变星和超新星再抵消微波背景辐射的方法得出的值一致。

如果在计算哈勃常数时引入引力透镜系统的测量结果,将会大大完善宇宙得标准模型。为了解决其中的矛盾,科学家们引入了暗能量的变量。它的强度会随着时间的流逝而增强,因此宇宙的扩张会进一步加速。另一种可能的假设是,也许中微子的种类不只三种。然而,这是否是一种可行的方案,还有待确认和验证。

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