让科学家为难的宇宙膨胀速度

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发布时间:2023-06-30 浏览次数:1325

       几十年来,天文学家一直在为宇宙膨胀的速度争论不休。如今有人怀疑,他们测量空间距离的方法是否一直有误?


  众所周知,宇宙正在膨胀。对于一个膨胀着的宇宙,有一个数特别重要,它定义了宇宙的膨胀速度,决定了宇宙的年龄,并决定了宇宙的最终命运。这个数就是哈勃常数。

       

  哈勃常数以美国天文学家哈勃的名字命名。哈勃在1929年第一个发现,我们周围的星系都在离开我们,而且离开速度与星系的距离成正比,用公式表达就是V=HD,其中V、D分别为星系的速度和距离,H就是哈勃常数。哈勃常数表征宇宙膨胀的速度(见小贴士:为什么哈勃常数表征宇宙膨胀速度)。


  如何测量哈勃常数?


  既然哈勃常数如此重要,天文学家当然要万分小心地去测量它。可这正是事情变得棘手的开始。


  因为H=V/D,所以要确定哈勃常数,需要测量天体的速度和距离。测量天体的速度相对好办,当一个天体远离我们时,它发出的光波到达地球时,波长会变长。这一现象叫“多普勒红移”。根据红移量可以非常精确地测出天体远离我们的速度。事实上,现在公路上监视器对行驶中的车辆测速,根据的就是这一原理。


  测量天体的距离道理上也很简单。我们知道,光的亮度与距离的平方成反比,所以只要把一个天体的真实亮度(恒星自身的辐射强度,不考虑距离影响的绝对亮度)跟它在地球上看起来的亮度(也叫视亮度)做个比较,就可以推算出它的距离。


  但这里涉及两个问题:首先,如何知道一个天体的真实亮度?其次,遥远天体的光到达地球,已经非常暗淡,如何把它的视亮度测量准确?


  为了解决这两个问题,天文学家在测量宇宙空间距离的时候,往往选择那些相对比较亮,同时又研究得比较透彻的天体,比如造父变星和Ia型超新星。造父变星是天上一类亮度会周期性变化的恒星,根据其视亮度的周期性变化,能推算出它们到底有多远。Ia型超新星的真实亮度理论上可预测,根据其视亮度也能推算出它的距离。


  相互矛盾的哈勃常数


  这样,根据红移量我们测出了天体远离我们的速度,又根据视亮度也推算出它的距离。有了速度和距离,就能得到哈勃常数。


  测红移量不会有什么问题,但对视亮度的测量还是存在很大的误差,原因是在很长一段时间里,天文图像都是通过望远镜将光线投射到胶片上拍摄的,而靠这些图像测量天体的视亮度,误差很大。这样得到的哈勃常数自然误差也很大。所以,之前对哈勃常数有两个估算值,两者几乎相差一倍,一个是100(km/sec)/mpc,另一个是50(km/sec)/mpc,分别来自两个权威人物。双方各执一端,陷入一场激烈的争论。

       

  到了1990年代,数码摄像开始彻底改变整个天文学,数码摄像能让我们获得比之前高得多的清晰度。所以,哈勃太空望远镜发射成功之后,美国加州卡内基天文台温迪·弗里德曼领导的团队利用哈勃太空望远镜上配备的数码相机,测得哈勃常数为73(km/sec)/mpc。


  既然弗里德曼的测量技术更先进,哈勃常数似乎应该到此一锤定音,但故事并没有结束。


  造父变星和Ia型超新星并不是测量哈勃常数的唯一方法。天文学家也可以利用宇宙微波背景辐射(CMB)来预测哈勃常数应该是多少。


  微波背景辐射是大爆炸后留下的余辉。当初它们本来都是波长极短的光波,但随着宇宙膨胀,波长被拉长。因为波长的拉长跟宇宙膨胀有关,所以通过观测CMB,也能得到哈勃常数。但与前一种办法不同,通过测量造父变星、Ia型超新星,我们可以直接得到哈勃常数;而观测CMB,我们需要将其输入到宇宙学的标准模型才能计算出哈勃常数。他们计算的结果是67(km/sec)/mpc。


  两个数值很接近,是不是?没错,但还是有点差距。两方的科学家都乐观地认为,只要双方继续提高精度,差距就会缩小,两者趋于一致。但没想到,当他们真这样做的时候,差距并没有缩小,而且更糟的是,以前差距好歹还可以用误差来搪塞过去,现在却没法再用误差来解释了。


  这个由两种不同方法得到的哈勃常数的不一致,叫哈勃冲突。这个冲突最近几年一直在困扰着天文学家。


  新的测量距离的方法


  虽然矛盾的双方都值得怀疑,但大多数天文学家把板子打在了依赖CMB的一方。


  原因是,尽管CMB的测量可以测量得很准确,但前面说了,CMB本身并不能直接告诉我们哈勃常数,我们必须将其输入到宇宙学的标准模型才能计算出哈勃常数。标准模型是根据广义相对论建立起来的,里面包含了很多内容,包括暗物质的影响等。这个模型在解释宇宙方方面面的事情上,迄今运作得很成功。但宇宙学家们个个都是“坏心眼”,巴不得它出事。它一出事,说明这个模型并非完美,意味着今后他们有事情干了。在这场哈勃冲突中,CMB测量本身又是非常精确、无可置疑的,他们正好可以去怀疑标准模型自身。所以近些年来,他们提出许多建议,什么广义相对论不行啦,什么宇宙中可能包含有某种稀奇古怪的东西啦,等等。


  但美国加州的弗里德曼却与众不同,她的怀疑目光落在了以往对空间距离的测量上。她说,我们迄今依赖造父变星、Ia型超新星测量得到的空间距离可能有误,有可能是亮度受到了星际尘埃的削弱,因此需要寻找另一种类型的测量来验证。这就是为什么她转向另一类天体——红巨星——的原因。


  红巨星是恒星燃烧到后期所经历的“夕阳红”阶段。红巨星表面温度相对很低,但因为它们的体积非常巨大,所以极为明亮。大约在50亿年后,太阳也会进入红巨星阶段。那时,太阳膨胀,金星和水星都会被吞噬。


  红巨星比造父变星简单,我们对决定它们真实亮度和颜色的物理学也有很好的了解。天文学家用红巨星来测量距离已经有很长一段时间了,但因为它们比造父变星暗,所以后来不受欢迎。现在,随着太空望远镜的改进,它们又重新回到了人们的视野。红巨星比起造父变星有一个很大的优势:造父变星通常集中在星系的中心地带,那里恒星和尘埃多,它们的光线容易被遮挡;而很多红巨星处于星系的边缘地带,那里的干扰少。


  差距在缩小!


  通过对红巨星的测量,最近美国加州卡内基天文台弗里德曼领导的团队测得的哈勃常数最新值是69.8(km/sec)/mpc——正好介于之前的两个值73和67之间。这给解决哈勃冲突带来了希望。

       

  当然,新的数值跟CMB的67还有一点小差距。弗里德曼寄希望于通过2021年底升空的詹姆斯·韦伯太空望远镜的测量来弥补。


  与哈勃太空望远镜相比,韦伯太空望远镜可以观察到更远的天体,而且与哈勃太空望远镜不同的是,韦伯望远镜是一个红外望远镜。而红巨星发出的光,大部分处于红外波段,所以用红外望远镜观察,它们看起来会比周围的恒星更亮,更显眼,测量精度会更高。


  如果,哈勃冲突能通过新的测量得到解决,那将促使我们反思之前对造父变星、Ia型超新星的测量在什么地方出了差错,甚至逼着我们重新审视暗能量是否存在的问题,因为暗能量是为了解释宇宙膨胀加速而提出来的,而天文学家之所以得出“宇宙膨胀在加速”的结论,又是建立在对造父变星、Ia型超新星的测量基础之上的。


  而对于那些希望看到标准模型出丑的人来说,怕是要失望了。


  为什么哈勃常数表征宇宙膨胀速度


  虽然字面上都是“速度”,但宇宙膨胀的速度跟通常所说的物体运动的速度,是两个概念。举个例子,篮球在空间运动,对应的是运动速度;而篮球充气膨胀,对应的是膨胀速度。


  在天文学上,用1个mpc(百万秒差距,天文学上的长度单位,相当于326万光年)的空间距离在1秒内被拉长的增量来表示宇宙膨胀速度。


  这是什么意思呢?举个例子,现有一根长1.5米的橡皮筋,在1秒内,你把它拉长到1.8米,增量是30厘米。如果把1.5米的橡皮筋分成三段,每段各50厘米,那么拉长之后,每段各增量10厘米。


  现在,我们定义将1米的橡皮筋在1秒内拉长多少厘米作为橡皮筋的膨胀速度。前面说的那根橡皮筋,1米的一段实际上被拉长了20厘米,所以膨胀速度是“每秒20厘米每米”。同样道理,在天文学上统一规定 “每百万秒差距的空间距离”在1秒内的增量,作为宇宙膨胀速度,其单位是(km/sec)/mpc(千米/秒/百万秒差距)。


  在对宇宙膨胀速度做了这样的定义之后,你会发现,当宇宙匀速膨胀时(即保持膨胀速度不变),任何一点离开中心的速度,都与它离开中心的距离成正比(正如拉橡皮筋的例子,距离50厘米,增量是10厘米;距离100厘米,增量是20厘米……),即天体离开中心的速度=宇宙膨胀速度×天体离开中心的距离,而这正好就是哈勃定律V=HD。所以,哈勃常数实际上就是宇宙膨胀速度。


  我们再来看另一个问题。二十多年前,天文学家不是还发现宇宙膨胀正在加速吗?又该如何理解“宇宙膨胀正在加速”这个说法呢?


  我们知道,光的传播需要时间,所以我们现在所看到的天体,事实是它们在过去所发出的光。天体越远,我们现在所看到的“它”,事实上是越久远之前的“它”。我们现在测量到的它的哈勃常数,事实上也是宇宙过去某个时间的膨胀速度。所以,当我们测量后,发现近距离天体的哈勃常数比远距离天体的哈勃常数大时,我们就说,宇宙现在比过去膨胀得快,或者说宇宙膨胀在加速。


  既然宇宙膨胀在加速,按道理说,各个时期的哈勃常数也不一样,宇宙没有一个统一的哈勃常数。不过,宇宙膨胀加速并不明显,我们近似地把它看作是在匀速膨胀,所以宇宙不论在过去还是现在,都有一个统一的哈勃常数。正文中提到的哈勃常数,需要这样去理解。

       

       本文来源:大科技 作者:大科技 仅用于分享。如有侵权,请联系hq13379078029@163.com修改删除

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